Ինչպես են աշխատում վառելիքի բջիջները: Որոնք են վառելիքի բջիջները

AT ժամանակակից կյանքՀոսանքի քիմիական աղբյուրները մեր շուրջն են՝ լապտերների մարտկոցներ, բջջային հեռախոսների մարտկոցներ, ջրածնային վառելիքի բջիջներ, որոնք արդեն օգտագործվում են որոշ մեքենաներում: Էլեկտրաքիմիական տեխնոլոգիաների արագ զարգացումը կարող է հանգեցնել նրան, որ մոտ ապագայում բենզինով աշխատող մեքենաների փոխարեն մենք շրջապատված կլինենք միայն էլեկտրական մեքենաներով, հեռախոսներն այլևս արագ չեն սպառվի, և յուրաքանչյուր տուն կունենա իր վառելիքի մարտկոցը։ էլեկտրական գեներատոր. Ուրալի դաշնային համալսարանի համատեղ ծրագրերից մեկը Ռուսաստանի գիտությունների ակադեմիայի Ուրալի մասնաճյուղի բարձր ջերմաստիճանի էլեկտրաքիմիայի ինստիտուտի հետ, որի հետ մենք հրապարակում ենք այս հոդվածը, նվիրված է էլեկտրաքիմիական պահեստավորման և էներգիայի գեներատորների արդյունավետության բարելավմանը: .

Այսօր շատ են տարբեր տեսակներմարտկոցներ, որոնց մեջ գնալով դժվարանում է նավարկելը: Բոլորի համար պարզ չէ, թե ինչպես է մարտկոցը տարբերվում գերկոնդենսատորից և ինչու է ջրածնային վառելիքի բջիջը կարող է օգտագործվել առանց շրջակա միջավայրին վնաս պատճառելու վախի: Այս հոդվածում մենք կխոսենք այն մասին, թե ինչպես են քիմիական ռեակցիաները օգտագործվում էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար, որն է տարբերությունը ժամանակակից քիմիական հոսանքի աղբյուրների հիմնական տեսակների միջև և ինչ հեռանկարներ են բացվում էլեկտրաքիմիական էներգիայի համար:

Քիմիան՝ որպես էլեկտրաէներգիայի աղբյուր

Նախ, եկեք տեսնենք, թե ինչու քիմիական էներգիան ընդհանրապես կարող է օգտագործվել էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Բանն այն է, որ ռեդոքսային ռեակցիաներում էլեկտրոնները տեղափոխվում են երկու տարբեր իոնների միջև։ Եթե ​​երկու կես քիմիական ռեակցիատարածվում է տարածության մեջ այնպես, որ օքսիդացումն ու վերականգնումը տեղի ունենան միմյանցից առանձին, այնուհետև հնարավոր է համոզվել, որ մի իոնից պոկվող էլեկտրոնն անմիջապես չի ընկնում երկրորդի վրա, այլ նախ անցնում է իր համար կանխորոշված ​​ճանապարհով: Այս ռեակցիան կարող է օգտագործվել որպես էլեկտրական հոսանքի աղբյուր։

Այս հայեցակարգն առաջին անգամ իրականացվել է 18-րդ դարում իտալացի ֆիզիոլոգ Լուիջի Գալվանիի կողմից։ Ավանդական գալվանական բջիջի գործողությունը հիմնված է տարբեր ակտիվությամբ մետաղների նվազման և օքսիդացման ռեակցիաների վրա։ Օրինակ՝ դասական բջիջը գալվանական բջիջ է, որում ցինկը օքսիդանում է, իսկ պղինձը՝ վերականգնվում։ Կրճատման և օքսիդացման ռեակցիաները տեղի են ունենում համապատասխանաբար կաթոդում և անոդում։ Եվ որպեսզի պղնձի և ցինկի իոնները չընկնեն «օտար տարածք», որտեղ նրանք կարող են ուղղակիորեն արձագանքել միմյանց հետ, սովորաբար անոդի և կաթոդի միջև տեղադրվում է հատուկ թաղանթ։ Արդյունքում էլեկտրոդների միջև առաջանում է պոտենցիալ տարբերություն: Եթե ​​դուք միացնում եք էլեկտրոդները, օրինակ, լամպով, ապա ստացված էլեկտրական շղթայում հոսանքը սկսում է հոսել, և լամպը վառվում է:

Գալվանական բջիջի դիագրամ

Wikimedia Commons

Բացի անոդի և կաթոդի նյութերից, քիմիական հոսանքի աղբյուրի կարևոր բաղադրիչն է էլեկտրոլիտը, որի ներսում շարժվում են իոններ և որի սահմանին էլեկտրոդներով ընթանում են բոլոր էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները։ Այս դեպքում պարտադիր չէ, որ էլեկտրոլիտը հեղուկ լինի՝ այն կարող է լինել և՛ պոլիմեր, և՛ կերամիկական նյութ:

Գալվանական բջիջի հիմնական թերությունը դրա շահագործման սահմանափակ ժամանակն է: Հենց որ ռեակցիան ավարտվի (այսինքն՝ աստիճանաբար լուծվող ամբողջ անոդը ամբողջությամբ սպառվում է), նման տարրը պարզապես կդադարի աշխատել։

Մատների ալկալային մարտկոցներ

Վերալիցքավորվող

Քիմիական հոսանքի աղբյուրների հնարավորությունների ընդլայնման առաջին քայլը մարտկոցի ստեղծումն էր՝ հոսանքի աղբյուր, որը կարող է վերալիցքավորվել և, հետևաբար, նորից օգտագործվել: Դրա համար գիտնականները պարզապես առաջարկել են օգտագործել շրջելի քիմիական ռեակցիաներ։ Առաջին անգամ մարտկոցն ամբողջությամբ լիցքաթափելով՝ արտաքին հոսանքի աղբյուրի օգնությամբ, դրանում տեղի ունեցած ռեակցիան կարելի է սկսել հակառակ ուղղությամբ։ Սա կվերականգնի նախնական վիճակը, որպեսզի մարտկոցը վերալիցքավորվելուց հետո նորից օգտագործվի:

Ավտոմոբիլային կապարաթթվային մարտկոց

Մինչ օրս ստեղծվել են բազմաթիվ տարբեր տեսակի մարտկոցներ, որոնք տարբերվում են դրանցում տեղի ունեցող քիմիական ռեակցիայի տեսակով։ Մարտկոցների ամենատարածված տեսակները կապարաթթվային (կամ պարզապես կապարի) մարտկոցներն են, որոնք հիմնված են կապարի օքսիդացում-վերականգնման ռեակցիայի վրա։ Նման սարքերն ունեն բավականին երկար սպասարկման ժամկետ, և դրանց էներգիայի սպառումը կազմում է մինչև 60 վտ/ժ մեկ կիլոգրամի դիմաց: Նույնիսկ ավելի հայտնի է վերջին ժամանակներըլիթիում-իոնային մարտկոցներ են, որոնք հիմնված են լիթիումի ռեդոքս ռեակցիայի վրա: Ժամանակակից լիթիում-իոնային մարտկոցների էներգիայի ինտենսիվությունը այժմ գերազանցում է 250 վտ/ժ-ը մեկ կիլոգրամի համար:

Li-ion մարտկոց բջջային հեռախոսի համար

Լիթիում-իոնային մարտկոցների հիմնական խնդիրներն են ցածր արդյունավետությունը ցածր ջերմաստիճաններում, արագ ծերացումը և պայթյունավտանգության բարձրացումը: Եվ քանի որ լիթիումի մետաղը շատ ակտիվորեն արձագանքում է ջրի հետ՝ ձևավորելով ջրածնի գազ, և թթվածինը թողարկվում է մարտկոցի այրման ժամանակ, լիթիում-իոնային մարտկոցի ինքնաբուխ այրումը շատ դժվար է օգտագործել հրդեհաշիջման ավանդական մեթոդներով: Նման մարտկոցի անվտանգությունը բարելավելու և դրա լիցքավորման ժամանակը արագացնելու համար գիտնականներն առաջարկում են կաթոդ նյութ, որը կանխում է դենդրիտային լիթիումի կառուցվածքների ձևավորումը և էլեկտրոլիտին ավելացնում է նյութեր, որոնք ձևավորում են պայթուցիկ կառուցվածքներ և բաղադրիչներ, որոնք բռնկվում են վաղ փուլերում։ .

Պինդ էլեկտրոլիտ

Որպես մարտկոցների արդյունավետությունն ու անվտանգությունը բարձրացնելու մեկ այլ ոչ այնքան ակնհայտ միջոց, քիմիկոսներն առաջարկել են չսահմանափակվել հեղուկ էլեկտրոլիտներով քիմիական հոսանքի աղբյուրներում, այլ ստեղծել ամբողջովին պինդ վիճակի հոսանքի աղբյուր: Նման սարքերում ընդհանրապես հեղուկ բաղադրիչներ չկան, բայց նրանց միջև կա պինդ անոդի, պինդ կաթոդի և պինդ էլեկտրոլիտի շերտավոր կառուցվածք։ Էլեկտրոլիտը միաժամանակ կատարում է մեմբրանի ֆունկցիան։ Պինդ էլեկտրոլիտում լիցքակիրները կարող են լինել տարբեր իոններ՝ կախված դրա բաղադրությունից և անոդի և կաթոդի վրա տեղի ունեցող ռեակցիաներից։ Բայց դրանք միշտ բավական փոքր իոններ են, որոնք կարող են համեմատաբար ազատ շարժվել բյուրեղի միջով, օրինակ՝ H + պրոտոններ, Li + լիթիումի իոններ կամ O 2- թթվածնի իոններ։

Ջրածնի վառելիքի բջիջներ

Վերալիցքավորման և անվտանգության հատուկ միջոցների շնորհիվ մարտկոցները հոսանքի շատ ավելի խոստումնալից աղբյուր են դարձնում, քան սովորական մարտկոցները, սակայն, այնուամենայնիվ, յուրաքանչյուր մարտկոց ներսում պարունակում է սահմանափակ քանակությամբ ռեակտիվներ, հետևաբար՝ էներգիայի սահմանափակ մատակարարում, և ամեն անգամ մարտկոցը պետք է լիցքավորվի։ վերսկսելու իր կատարումը։

Մարտկոցը «անսահման» դարձնելու համար որպես էներգիայի աղբյուր հնարավոր է օգտագործել ոչ թե այն նյութերը, որոնք գտնվում են բջջի ներսում, այլ դրա միջով հատուկ մղվող վառելիքը։ Լավագույնն այն է, որ նյութը, որը հնարավորինս պարզ է բաղադրությամբ, էկոլոգիապես մաքուր և առատորեն հասանելի Երկրի վրա, լավագույնս համապատասխանում է որպես այդպիսի վառելիք:

Այս տեսակի ամենահարմար նյութը ջրածնի գազն է։ Դրա օքսիդացումը օդի թթվածնով ջուր առաջացնելու համար (ըստ 2H 2 + O 2 → 2H 2 O ռեակցիայի) պարզ ռեդոքս ռեակցիա է, և իոնների միջև էլեկտրոնների փոխադրումը կարող է օգտագործվել նաև որպես հոսանքի աղբյուր։ Այս դեպքում ընթացող ռեակցիան մի տեսակ հակադարձ ռեակցիա է ջրի էլեկտրոլիզի ռեակցիային (որում էլեկտրական հոսանքի ազդեցության տակ ջուրը քայքայվում է թթվածնի և ջրածնի), և առաջին անգամ նման սխեման առաջարկվել է դեռևս մ. 19-րդ դարի կեսերին։

Բայց չնայած այն հանգամանքին, որ շղթան բավականին պարզ տեսք ունի, այս սկզբունքի հիման վրա արդյունավետ սարք ստեղծելն ամենևին էլ չնչին խնդիր չէ: Դրա համար անհրաժեշտ է տարանջատել թթվածնի և ջրածնի հոսքերը տիեզերքում, ապահովել անհրաժեշտ իոնների տեղափոխումը էլեկտրոլիտով և նվազեցնել էներգիայի հնարավոր կորուստները շահագործման բոլոր փուլերում։

Ջրածնի վառելիքի բջիջի շահագործման սխեմատիկ դիագրամ

Աշխատանքային ջրածնի վառելիքի բջիջի սխեման շատ նման է քիմիական հոսանքի աղբյուրի սխեմային, բայց պարունակում է լրացուցիչ ալիքներ վառելիքի և օքսիդիչի մատակարարման և ռեակցիայի արտադրանքների և ավելցուկային մատակարարվող գազերի հեռացման համար: Նման տարրի էլեկտրոդները ծակոտկեն հաղորդիչ կատալիզատորներ են: Անոդին մատակարարվում է գազային վառելիք (ջրածին), իսկ կաթոդին` օքսիդացնող նյութ (օդից թթվածին), իսկ էլեկտրոդներից յուրաքանչյուրի էլեկտրոլիտի սահմանին տեղի է ունենում իր սեփական կիսա-արձագանքը (օքսիդացում): ջրածնի և թթվածնի նվազեցման համապատասխանաբար): Այս դեպքում, կախված վառելիքի բջիջի տեսակից և էլեկտրոլիտի տեսակից, ջրի ձևավորումն ինքնին կարող է շարունակվել կա՛մ անոդում, կա՛մ կաթոդի տարածքում:

Toyota ջրածնային վառելիքի բջիջ

Ջոզեֆ Բրենտ / flickr

Եթե ​​էլեկտրոլիտը պրոտոն հաղորդիչ պոլիմեր է կամ կերամիկական թաղանթ, թթվային կամ ալկալային լուծույթ, ապա էլեկտրոլիտի լիցքի կրիչը ջրածնի իոններն են։ Այս դեպքում մոլեկուլային ջրածինը անոդում օքսիդացվում է ջրածնի իոնների, որոնք անցնում են էլեկտրոլիտով և այնտեղ արձագանքում թթվածնի հետ։ Եթե ​​թթվածնի իոն O 2–ը լիցքի կրողն է, ինչպես պինդ օքսիդի էլեկտրոլիտի դեպքում, ապա թթվածինը կաթոդում վերածվում է իոնի, այդ իոնն անցնում է էլեկտրոլիտով և օքսիդացնում ջրածինը անոդում՝ առաջացնելով ջուր և ազատ: էլեկտրոններ։

Բացի վառելիքի բջիջների համար ջրածնի օքսիդացման ռեակցիայից, առաջարկվել է օգտագործել այլ տեսակի ռեակցիաներ: Օրինակ՝ ջրածնի փոխարեն վերականգնող վառելիքը կարող է լինել մեթանոլը, որը թթվածնով օքսիդացվում է ածխաթթու գազի և ջրի:

Վառելիքի բջիջների արդյունավետություն

Չնայած ջրածնային վառելիքի բջիջների բոլոր առավելություններին (ինչպիսիք են շրջակա միջավայրի բարեկեցությունը, գործնականում անսահմանափակ արդյունավետությունը, կոմպակտ չափը և էներգիայի բարձր ինտենսիվությունը), նրանք ունեն նաև մի շարք թերություններ: Դրանք ներառում են, առաջին հերթին, բաղադրիչների աստիճանական ծերացումը և ջրածնի պահպանման դժվարությունները։ Գիտնականներն այսօր աշխատում են այն մասին, թե ինչպես վերացնել այդ թերությունները:

Ներկայումս առաջարկվում է բարձրացնել վառելիքի բջիջների արդյունավետությունը՝ փոխելով էլեկտրոլիտի բաղադրությունը, կատալիզատորի էլեկտրոդի հատկությունները և համակարգի երկրաչափությունը (որն ապահովում է վառելիքի գազերի մատակարարումը. ցանկալի կետև նվազեցնել կողմնակի ազդեցությունները): Ջրածնի գազի պահպանման խնդիրը լուծելու համար օգտագործվում են պլատին պարունակող նյութեր, որոնց հագեցման համար, օրինակ, գրաֆենային թաղանթներ։

Արդյունքում հնարավոր է հասնել վառելիքի բջիջի կայունության և դրա առանձին բաղադրիչների կյանքի տևողության բարձրացմանը: Այժմ նման խցերում քիմիական էներգիան էլեկտրական էներգիայի վերածելու գործակիցը հասնում է 80 տոկոսի, իսկ որոշակի պայմաններում այն ​​կարող է նույնիսկ ավելի բարձր լինել։

Ջրածնի էներգիայի հսկայական հեռանկարները կապված են վառելիքի բջիջները ամբողջական մարտկոցների մեջ միավորելու հնարավորության հետ՝ դրանք վերածելով բարձր հզորությամբ էլեկտրական գեներատորների: Նույնիսկ հիմա ջրածնային վառելիքի բջիջների վրա աշխատող էլեկտրական գեներատորներն ունեն մինչև մի քանի հարյուր կիլովատ հզորություն և օգտագործվում են որպես տրանսպորտային միջոցների էներգիայի աղբյուրներ:

Այլընտրանքային էլեկտրաքիմիական պահեստավորում

Էլեկտրաքիմիական հոսանքի դասական աղբյուրներից բացի, որպես էներգիայի պահպանման սարքեր օգտագործվում են նաև ավելի անսովոր համակարգեր: Այդ համակարգերից մեկը սուպերկոնդենսատորն է (կամ իոնիստորը)՝ սարք, որում լիցքի տարանջատումը և կուտակումը տեղի է ունենում լիցքավորված մակերեսի մոտ կրկնակի շերտի ձևավորման պատճառով: Նման սարքի էլեկտրոդ-էլեկտրոլիտ միջերեսում տարբեր նշանների իոնները շարվում են երկու շերտով, այսպես կոչված, «կրկնակի էլեկտրական շերտ»՝ ձևավորելով մի տեսակ շատ բարակ կոնդենսատոր: Նման կոնդենսատորի հզորությունը, այսինքն՝ կուտակված լիցքի քանակը, որոշվելու է էլեկտրոդի նյութի հատուկ մակերեսով, հետևաբար, ձեռնտու է առավելագույն հատուկ մակերեսով ծակոտկեն նյութեր ընդունել որպես նյութ որպես նյութ։ գերկոնդենսատորներ.

Իոնիստորները լիցքավորման արագությամբ քիմիական հոսանքի աղբյուրների շարքում առաջատար են, ինչը այս տեսակի սարքի անկասկած առավելությունն է: Ցավոք սրտի, նրանք ռեկորդակիր են նաեւ լիցքաթափման արագությամբ։ Իոնիստորների էներգիայի խտությունը ութ անգամ պակաս է կապարի մարտկոցների համեմատ և 25 անգամ ավելի քիչ, քան լիթիում-իոնները: Դասական «երկշերտ» իոնիստները չեն օգտագործում էլեկտրաքիմիական ռեակցիա իրենց հիմքում, և «կոնդենսատոր» տերմինը առավել ճշգրիտ կիրառվում է նրանց նկատմամբ: Այնուամենայնիվ, իոնիստների այն տարբերակներում, որոնք հիմնված են էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի վրա և լիցքի կուտակումը տարածվում է էլեկտրոդի խորության վրա, հնարավոր է հասնել լիցքաթափման ավելի բարձր ժամանակների՝ պահպանելով լիցքավորման արագ արագությունը: Սուպերկոնդենսատորների մշակողների ջանքերն ուղղված են մարտկոցներով հիբրիդային սարքերի ստեղծմանը, որոնք միավորում են սուպերկոնդենսատորների առավելությունները, հիմնականում լիցքավորման բարձր արագությունը, և մարտկոցների առավելությունները՝ էներգիայի բարձր ինտենսիվությունը և երկար լիցքաթափման ժամանակը: Պատկերացրեք մոտ ապագայում իոնիստորային մարտկոց, որը կլիցքավորվի մի քանի րոպեում և կսնուցի նոութբուքը կամ սմարթֆոնը մեկ կամ ավելի օր:

Չնայած այն հանգամանքին, որ այժմ սուպերկոնդենսատորների էներգիայի խտությունը դեռ մի քանի անգամ պակաս է մարտկոցների էներգիայի խտությունից, դրանք օգտագործվում են սպառողական էլեկտրոնիկայի և տարբեր տրանսպորտային միջոցների շարժիչների համար, ներառյալ մեծ մասը:

* * *

Այսպիսով, այսօր կա մեծ թվովէլեկտրաքիմիական սարքեր, որոնցից յուրաքանչյուրը խոստումնալից է իր հատուկ կիրառությունների համար: Այս սարքերի արդյունավետությունը բարձրացնելու համար գիտնականները պետք է լուծեն մի շարք խնդիրներ՝ ինչպես հիմնարար, այնպես էլ տեխնոլոգիական: Այս խնդիրների մեծ մասը բեկումնային նախագծերից մեկի շրջանակներում զբաղվում է Ուրալի դաշնային համալսարանում, ուստի մենք հարցրինք Մաքսիմ Անանիևին, Ռուսաստանի Գիտությունների ակադեմիայի Ուրալի մասնաճյուղի բարձր ջերմաստիճանի էլեկտրաքիմիայի ինստիտուտի տնօրեն, պրոֆեսոր. Ուրալի դաշնային համալսարանի քիմիական տեխնոլոգիաների ինստիտուտի էլեկտրաքիմիական արտադրության տեխնոլոգիայի ամբիոնի, խոսելու ժամանակակից վառելիքի բջիջների զարգացման անմիջական պլանների և հեռանկարների մասին: .

N+1. Մոտ ապագայում կա՞ այլընտրանք ամենահայտնի Li-Ion մարտկոցներին:

Մաքսիմ Անանիև.Մարտկոցների մշակողների ժամանակակից ջանքերն ուղղված են էլեկտրոլիտում լիցքավորիչի տեսակը փոխարինելուն՝ լիթիումից նատրիումի, կալիումի և ալյումինի: Լիթիումի փոխարինման արդյունքում հնարավոր կլինի նվազեցնել մարտկոցի արժեքը, թեև քաշի և չափի բնութագրերը համամասնորեն կավելանան։ Այլ կերպ ասած, նույն էլեկտրական բնութագրերի համար նատրիում-իոնային մարտկոցը կլինի ավելի մեծ և ծանր, քան լիթիում-իոնային մարտկոցը:

Բացի այդ, մարտկոցների կատարելագործման հեռանկարային զարգացող ոլորտներից է հիբրիդային քիմիական էներգիայի աղբյուրների ստեղծումը, որը հիմնված է մետաղ-իոնային մարտկոցների օդային էլեկտրոդի հետ համակցման վրա, ինչպես վառելիքի բջիջներում: Ընդհանուր առմամբ, հիբրիդային համակարգերի ստեղծման ուղղությունը, ինչպես արդեն ցույց է տրվել գերկոնդենսատորների օրինակով, ակնհայտորեն թույլ կտա մեզ մոտ ապագայում շուկայում տեսնել բարձր սպառողական բնութագրերով քիմիական էներգիայի աղբյուրներ:

Ուրալի դաշնային համալսարանը Ռուսաստանի և աշխարհի ակադեմիական և արդյունաբերական գործընկերների հետ միասին ներկայումս իրականացնում է վեց մեգանախագծեր, որոնք ուղղված են գիտական ​​հետազոտությունների բեկումնային ոլորտներին: Նման նախագծերից է «Էլեկտրաքիմիական էներգիայի հեռանկարային տեխնոլոգիաները՝ նոր նյութերի քիմիական նախագծումից մինչև նոր սերնդի էլեկտրաքիմիական սարքեր՝ էներգիայի պահպանման և փոխակերպման համար»։

Ռազմավարական ակադեմիական ստորաբաժանման (SAU) UrFU բնական գիտությունների և մաթեմատիկայի դպրոցի մի խումբ գիտնականներ, որոնց թվում է Մաքսիմ Անանիևը, զբաղվում է նոր նյութերի և տեխնոլոգիաների նախագծմամբ և մշակմամբ, ներառյալ վառելիքի բջիջները, էլեկտրոլիտիկ բջիջները, մետաղական գրաֆենի մարտկոցները, էլեկտրաքիմիականները: էներգիայի պահպանման համակարգեր և գերկոնդենսատորներ:

Գիտահետազոտական ​​և գիտական ​​աշխատանքներն իրականացվում են ՌԴ ԳԱ Ուրալի մասնաճյուղի բարձր ջերմաստիճանի էլեկտրաքիմիայի ինստիտուտի հետ մշտական ​​համագործակցությամբ և գործընկերների աջակցությամբ:

Ո՞ր վառելիքի բջիջներն են ներկայումս մշակվում և ունեն ամենամեծ ներուժը:

Վառելիքի բջիջների ամենախոստումնալից տեսակներից են պրոտոն-կերամիկական բջիջները: Նրանք առավելություններ ունեն պրոտոնափոխանակման թաղանթով և պինդ օքսիդային բջիջներով պոլիմերային վառելիքի բջիջների նկատմամբ, քանի որ կարող են աշխատել ածխաջրածնային վառելիքի ուղղակի մատակարարմամբ։ Սա մեծապես հեշտացնում է էլեկտրակայանի նախագծումը, որը հիմնված է պրոտոն-կերամիկական վառելիքի բջիջների և կառավարման համակարգի վրա, և, հետևաբար, մեծացնում է շահագործման հուսալիությունը: Ճիշտ է, այս տիպի վառելիքի բջիջները պատմականորեն ավելի քիչ են զարգացած այս պահին, սակայն ժամանակակից գիտական ​​հետազոտությունները թույլ են տալիս հույս ունենալ ապագայում այս տեխնոլոգիայի բարձր ներուժի վրա:

Վառելիքի բջիջների հետ կապված ի՞նչ խնդիրներ են այժմ զբաղվում Ուրալի դաշնային համալսարանում:

Այժմ UrFU-ի գիտնականները, Ռուսաստանի Գիտությունների ակադեմիայի Ուրալի մասնաճյուղի Բարձր ջերմաստիճանի էլեկտրաքիմիայի ինստիտուտի (IHTE) հետ միասին աշխատում են բարձր արդյունավետ էլեկտրաքիմիական սարքերի և ինքնավար էներգիայի գեներատորների ստեղծման վրա՝ բաշխված էներգիայի կիրառման համար: Բաշխված էներգիայի համար էլեկտրակայանների ստեղծումն ի սկզբանե ենթադրում է հիբրիդային համակարգերի մշակում, որոնք հիմնված են էլեկտրաէներգիայի գեներատորի և պահեստավորման սարքի վրա, որոնք մարտկոցներ են։ Միևնույն ժամանակ, վառելիքի մարտկոցը աշխատում է անընդհատ՝ ապահովելով բեռը պիկ ժամերին, իսկ պարապ ռեժիմում լիցքավորում է մարտկոցը, որն ինքնին կարող է ռեզերվ ծառայել ինչպես մեծ էներգիայի սպառման, այնպես էլ արտակարգ իրավիճակների դեպքում։

Ուրալի դաշնային համալսարանի և IHTE-ի քիմիկոսները ամենամեծ հաջողությանն են հասել պինդ օքսիդի և պրոտոն-կերամիկական վառելիքի բջիջների մշակման գործում: 2016 թվականից Ուրալում «Ռոսատոմ» պետական ​​կորպորացիայի հետ միասին ստեղծվել է պինդ օքսիդի վառելիքային բջիջների վրա հիմնված էլեկտրակայանների առաջին ռուսական արտադրությունը։ Ուրալի գիտնականների մշակումն արդեն անցել է «դաշտային» թեստեր «Ուրալտրանսգազ» ՍՊԸ-ի փորձարարական տեղամասում գազատարի կաթոդիկ պաշտպանության կայանում։ 1,5 կՎտ անվանական հզորությամբ էլեկտրակայանը աշխատել է ավելի քան 10 հազար ժամ և ցույց է տվել նման սարքերի օգտագործման բարձր ներուժ։

Ուրալի դաշնային համալսարանի և IHTE-ի համատեղ լաբորատորիայի շրջանակներում մշակվում են էլեկտրաքիմիական սարքեր՝ հիմնված պրոտոնահաղորդիչ կերամիկական թաղանթի վրա։ Դա թույլ կտա մոտ ապագայում նվազեցնել պինդ օքսիդային վառելիքի բջիջների աշխատանքային ջերմաստիճանը 900-ից մինչև 500 աստիճան Ցելսիուս և հրաժարվել ածխաջրածնային վառելիքի նախնական բարեփոխումից՝ այդպիսով ստեղծելով ծախսարդյունավետ էլեկտրաքիմիական գեներատորներ, որոնք կարող են աշխատել ջերմաստիճանի պայմաններում։ զարգացած գազամատակարարման ենթակառուցվածքը Ռուսաստանում.

Ալեքսանդր Դուբով

Բջջային էլեկտրոնիկան ամեն տարի, եթե ոչ մեկ ամիս, դառնում է ավելի մատչելի և ավելի տարածված: Այստեղ դուք ունեք նոութբուքեր, և PDA-ներ, և թվային տեսախցիկներ, և բջջային հեռախոսներ, և շատ բոլոր տեսակի օգտակար և ոչ այնքան սարքեր: Եվ այս բոլոր սարքերը մշտապես ստանում են նոր հնարավորություններ, ավելի հզոր պրոցեսորներ, ավելի մեծ գունավոր էկրաններ, անլար կապ, միևնույն ժամանակ փոքրանում են չափերը։ Սակայն, ի տարբերություն կիսահաղորդչային տեխնոլոգիաների, այս շարժական պանդոկի ուժային տեխնոլոգիաները ամենևին էլ թռիչքային չեն:

Սովորական կուտակիչները և մարտկոցները ակնհայտորեն բավարար չեն էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության վերջին ձեռքբերումները սնուցելու համար զգալի ժամանակի ընթացքում: Իսկ առանց հուսալի և տարողունակ մարտկոցների, շարժունակության և անլարության ողջ իմաստը կորչում է: Այսպիսով, համակարգչային արդյունաբերությունը ավելի ու ավելի ակտիվ է աշխատում խնդրի վրա էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրներ. Իսկ մինչ օրս ամենահեռանկարային ուղղություններն այստեղ են վառելիքի բջիջներ.

Վառելիքի բջիջների հիմնական սկզբունքը հայտնաբերել է բրիտանացի գիտնական սըր Ուիլյամ Գրովը 1839 թվականին։ Նա հայտնի է որպես «վառելիքային բջջի» հայր։ Ուիլյամ Գրոուվը էլեկտրաէներգիա արտադրեց՝ փոխելով ջրածնի և թթվածնի արդյունահանումը: Անջատելով մարտկոցը էլեկտրոլիտիկ բջիջից՝ Գրովը զարմացավ՝ տեսնելով, որ էլեկտրոդները սկսել են կլանել արձակված գազը և առաջացնել հոսանք։ Գործընթացի բացում Ջրածնի էլեկտրաքիմիական «սառը» այրումըդարձավ նշանակալից իրադարձությունէներգետիկայի ոլորտում և ապագայում այնպիսի հայտնի էլեկտրաքիմիկոսներ, ինչպիսիք են Օստվալդը և Ներնստը, կարևոր դեր խաղացին տեսական հիմքերի և վառելիքի բջիջների գործնական իրականացման գործում և կանխատեսեցին նրանց մեծ ապագան:

ինքս ինձ «վառելիքի բջիջ» տերմինը (Fuel Cell)հայտնվեց ավելի ուշ - այն առաջարկվեց 1889 թվականին Լյուդվիգ Մոնդի և Չարլզ Լանգերի կողմից, ովքեր փորձում էին ստեղծել օդից և ածուխից էլեկտրաէներգիա արտադրելու սարք:

Թթվածնում նորմալ այրման ժամանակ օրգանական վառելիքը օքսիդանում է, և վառելիքի քիմիական էներգիան անարդյունավետ կերպով վերածվում է ջերմային էներգիայի: Բայց պարզվեց, որ հնարավոր է իրականացնել օքսիդացման ռեակցիա, օրինակ՝ ջրածինը թթվածնի հետ, էլեկտրոլիտային միջավայրում և էլեկտրոդների առկայության դեպքում ստանալ էլեկտրական հոսանք։ Օրինակ, ալկալային միջավայրում էլեկտրոդին ջրածին մատակարարելով, մենք ստանում ենք էլեկտրոններ.

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

որոնք, անցնելով արտաքին շղթայով, մտնում են հակառակ էլեկտրոդը, որի մեջ մտնում է թթվածինը և որտեղ տեղի է ունենում ռեակցիան՝ 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-.

Կարելի է տեսնել, որ արդյունքում ստացված ռեակցիան 2H2 + O2 → H2O նույնն է, ինչ սովորական այրման ժամանակ, բայց վառելիքի մարտկոցում, կամ այլ կերպ. էլեկտրաքիմիական գեներատոր, էլեկտրական հոսանք է ստացվում մեծ արդյունավետությամբ և մասամբ ջերմությամբ։ Նշենք, որ ածուխը, ածխածնի երկօքսիդը, սպիրտները, հիդրազինը և այլ օրգանական նյութեր կարող են օգտագործվել նաև որպես վառելիք վառելիքի բջիջներում, իսկ օդը, ջրածնի պերօքսիդը, քլորը, բրոմը, Ազոտական ​​թթուև այլն:

Վառելիքի բջիջների զարգացումը աշխույժ շարունակվեց ինչպես արտասահմանում, այնպես էլ Ռուսաստանում, այնուհետև ԽՍՀՄ-ում։ Վառելիքային բջիջների ուսումնասիրության մեջ մեծ ներդրում ունեցած գիտնականների թվում նշում ենք Վ.Ջակոյին, Պ.Յաբլոչկովին, Ֆ.Բեկոնին, Է.Բաուերին, Է.Յուստիին, Կ.Կորդեսին։ Անցյալ դարի կեսերին նոր հարձակում սկսվեց վառելիքի բջիջների խնդիրների վրա: Սա մասամբ պայմանավորված է պաշտպանական հետազոտությունների արդյունքում նոր գաղափարների, նյութերի և տեխնոլոգիաների առաջացմամբ։

Վառելիքային բջիջների զարգացման գործում մեծ քայլ կատարած գիտնականներից մեկը Պ.Մ.Սպիրիդոնովն էր: Սպիրիդոնովի ջրածին-թթվածնային տարրերտվել է 30 մԱ/սմ2 հոսանքի խտություն, որն այն ժամանակ համարվել է մեծ ձեռքբերում։ 1940-ական թվականներին Օ.Դավթյանը ստեղծել է ածխի գազաֆիկացման արդյունքում ստացված գեներատոր գազի էլեկտրաքիմիական այրման կայանք։ Տարրի ծավալի յուրաքանչյուր խորանարդ մետրից Դավթյանը ստացել է 5 կՎտ հզորություն։

Սա էր առաջին պինդ էլեկտրոլիտային վառելիքի բջիջը. Այն ուներ բարձր արդյունավետություն, սակայն ժամանակի ընթացքում էլեկտրոլիտը դարձավ անօգտագործելի, և այն պետք է փոխվեր։ Հետագայում, հիսունականների վերջին Դավթյանը ստեղծեց հզոր ինստալացիա, որը շարժման մեջ է դնում տրակտորը։ Նույն տարիներին անգլիացի ինժեներ Տ. Բեկոնը նախագծել և կառուցել է վառելիքի մարտկոց՝ 6 կՎտ ընդհանուր հզորությամբ և 80% արդյունավետությամբ, որն աշխատում է մաքուր ջրածնի և թթվածնի վրա, բայց մարտկոցի հզորություն-քաշ հարաբերակցությամբ։ պարզվեց, որ չափազանց փոքր է. նման բջիջները ոչ պիտանի էին գործնական օգտագործման համար և չափազանց թանկ:

Հետագա տարիներին միայնակների ժամանակն անցավ։ Տիեզերանավերի ստեղծողները սկսեցին հետաքրքրվել վառելիքի բջիջներով։ 1960-ականների կեսերից միլիոնավոր դոլարներ են ներդրվել վառելիքի բջիջների հետազոտության մեջ: Հազարավոր գիտնականների և ինժեներների աշխատանքը հնարավորություն տվեց նոր մակարդակի հասնել, և 1965 թ. Վառելիքի բջիջները փորձարկվել են ԱՄՆ-ում՝ Gemini 5 տիեզերանավի վրա, իսկ ավելի ուշ՝ Apollo տիեզերանավի վրա՝ դեպի Լուսին թռիչքների համար և Shuttle ծրագրի շրջանակներում:

ԽՍՀՄ-ում վառելիքի բջիջները մշակվել են NPO Kvant-ում՝ նաև տիեզերքում օգտագործելու համար: Այդ տարիներին արդեն հայտնվել են նոր նյութեր. պինդ պոլիմերային էլեկտրոլիտներ, որոնք հիմնված են իոնափոխանակման թաղանթների վրա, նոր տեսակի կատալիզատորներ, էլեկտրոդներ։ Եվ այնուամենայնիվ, աշխատանքային հոսանքի խտությունը փոքր էր՝ 100-200 մԱ/սմ2 սահմաններում, իսկ էլեկտրոդների վրա պլատինի պարունակությունը մի քանի գ/սմ2 էր։ Շատ խնդիրներ կային՝ կապված ամրության, կայունության, անվտանգության հետ։

Վառելիքի բջիջների արագ զարգացման հաջորդ փուլը սկսվել է 1990-ական թվականներին: անցյալ դարում և շարունակվում է մինչ օրս։ Դա պայմանավորված է նոր արդյունավետ էներգիայի աղբյուրների անհրաժեշտությամբ՝ կապված, մի կողմից, համաշխարհայինի հետ բնապահպանական խնդիրհանածո վառելանյութերի այրման արդյունքում ջերմոցային գազերի արտանետումների ավելացում և, մյուս կողմից, նման վառելիքների սպառման դեպքում: Քանի որ վառելիքի բջիջում ջրածնի այրման վերջնական արդյունքը ջուրն է, դրանք համարվում են ամենամաքուրը շրջակա միջավայրի վրա ազդեցության տեսանկյունից: Հիմնական խնդիրը միայն ջրածնի արտադրության արդյունավետ և էժան միջոց գտնելն է։

Վառելիքի բջիջների և ջրածնի գեներատորների զարգացման միլիարդավոր դոլարների ֆինանսական ներդրումները պետք է հանգեցնեն տեխնոլոգիական առաջընթացի և իրականություն դարձնեն դրանց օգտագործումը առօրյա կյանքում՝ բջջային հեռախոսների, մեքենաների, էլեկտրակայանների բջիջներում: Արդեն ներկայումս այնպիսի ավտոմոբիլային հսկաներ, ինչպիսիք են «Ballard»-ը, «Honda»-ն, «Daimler Chrysler»-ը, «General Motors»-ը ցուցադրում են 50 կՎտ հզորությամբ վառելիքի մարտկոցներով աշխատող մարդատար ավտոմեքենաներ և ավտոբուսներ։ Զարգացել են մի շարք ընկերություններ ցուցադրական էլեկտրակայաններ վառելիքի բջիջների վրա պինդ օքսիդ էլեկտրոլիտով մինչև 500 կՎտ հզորությամբ. Բայց, չնայած վառելիքի բջիջների աշխատանքի բարելավման հարցում զգալի առաջընթացին, դեռ շատ խնդիրներ կան լուծելու՝ կապված դրանց արժեքի, հուսալիության և անվտանգության հետ:

Վառելիքի բջիջում, ի տարբերություն մարտկոցների և կուտակիչների, և՛ վառելիքը, և՛ օքսիդիչը սնվում են դրան դրսից: Վառելիքի բջիջը միայն միջնորդ է ռեակցիայի մեջ և իդեալական պայմաններում կարող է գոյատևել գրեթե հավերժ: Այս տեխնոլոգիայի գեղեցկությունն այն է, որ իրականում վառելիքն այրվում է տարերքի մեջ, և արտազատվող էներգիան ուղղակիորեն վերածվում է էլեկտրականության: Վառելիքի ուղղակի այրման ժամանակ այն օքսիդանում է թթվածնով, իսկ այս դեպքում արտանետվող ջերմությունն օգտագործվում է օգտակար աշխատանք կատարելու համար։

Վառելիքի մարտկոցում, ինչպես մարտկոցներում, վառելիքի օքսիդացման և թթվածնի նվազեցման ռեակցիաները տարածականորեն բաժանված են, և «այրման» գործընթացը տեղի է ունենում միայն այն դեպքում, եթե բջիջը հոսանք է մատակարարում բեռին: Դա այդպես է դիզելային էներգիայի գեներատոր, միայն առանց դիզելային և գեներատորի. Եվ նաև առանց ծխի, աղմուկի, գերտաքացման և շատ ավելի բարձր արդյունավետությամբ։ Վերջինս բացատրվում է նրանով, որ, նախ, չկան միջանկյալ մեխանիկական սարքեր, և երկրորդ՝ վառելիքի մարտկոցը ջերմային շարժիչ չէ և արդյունքում չի ենթարկվում Կարնոյի օրենքին (այսինքն՝ դրա արդյունավետությունը չի որոշվում. ջերմաստիճանի տարբերություն):

Թթվածինը օգտագործվում է որպես վառելիքի բջիջներում օքսիդացնող նյութ: Ավելին, քանի որ օդում բավականաչափ թթվածին կա, անհանգստանալու կարիք չկա օքսիդացնող նյութի մատակարարման մասին։ Ինչ վերաբերում է վառելիքին, ապա այն ջրածին է։ Այսպիսով, վառելիքի բջիջում ռեակցիան ընթանում է.

2H2 + O2 → 2H2O + էլեկտրականություն + ջերմություն:

Արդյունքում ստացվում է օգտակար էներգիա և ջրային գոլորշի: Իր սարքի մեջ ամենապարզն է պրոտոնի փոխանակման մեմբրանի վառելիքի բջիջ(տես նկար 1): Այն գործում է հետևյալ կերպ՝ բջջ մտնող ջրածինը կատալիզատորի ազդեցության տակ քայքայվում է էլեկտրոնների և դրական լիցքավորված ջրածնի իոնների՝ H+։ Այնուհետև գործում է հատուկ թաղանթ, որն այստեղ էլեկտրոլիտի դեր է խաղում սովորական մարտկոցում: Իր քիմիական բաղադրության շնորհիվ այն իր միջով անցնում է պրոտոններ, սակայն պահպանում է էլեկտրոնները։ Այսպիսով, անոդի վրա կուտակված էլեկտրոնները ավելորդ բացասական լիցք են առաջացնում, իսկ ջրածնի իոնները դրական լիցք են ստեղծում կաթոդի վրա (տարրի վրա լարումը մոտ 1 Վ է)։

Բարձր հզորություն ստեղծելու համար վառելիքի բջիջը հավաքվում է բազմաթիվ բջիջներից: Եթե ​​տարրը ներառված է բեռի մեջ, ապա էլեկտրոնները դրա միջով կհոսեն դեպի կաթոդ՝ ստեղծելով հոսանք և ավարտին հասցնելով ջրածնի օքսիդացման գործընթացը թթվածնով։ Որպես այդպիսի վառելիքի բջիջներում կատալիզատոր, որպես կանոն, օգտագործվում են ածխածնային մանրաթելերի վրա նստած պլատինի միկրոմասնիկներ։ Իր կառուցվածքի շնորհիվ նման կատալիզատորը լավ է անցնում գազը և էլեկտրականությունը: Մեմբրանը սովորաբար պատրաստվում է ծծումբ պարունակող Nafion պոլիմերից: Մեմբրանի հաստությունը միլիմետրի տասներորդական է։ Ռեակցիայի ընթացքում, իհարկե, նաև ջերմություն է արտազատվում, բայց այն այնքան էլ շատ չէ, ուստի աշխատանքային ջերմաստիճանը պահպանվում է 40-80 ° C-ի սահմաններում։

Նկ.1. Վառելիքի բջիջի շահագործման սկզբունքը

Կան վառելիքի բջիջների այլ տեսակներ, որոնք հիմնականում տարբերվում են օգտագործվող էլեկտրոլիտի տեսակից: Դրանցից գրեթե բոլորը որպես վառելիք պահանջում են ջրածին, ուստի տրամաբանական հարց է առաջանում՝ որտեղի՞ց այն ստանալ: Իհարկե, հնարավոր կլիներ օգտագործել սեղմված ջրածինը բալոններից, բայց անմիջապես առաջանում են խնդիրներ՝ կապված բարձր ճնշման տակ այս խիստ դյուրավառ գազի տեղափոխման և պահպանման հետ: Իհարկե, դուք կարող եք օգտագործել ջրածինը կապված ձևով, ինչպես մետաղական հիդրիդային մարտկոցներում: Այնուամենայնիվ, դրա արդյունահանման և փոխադրման խնդիրը մնում է, քանի որ ջրածնի լիցքավորման կայանների ենթակառուցվածքը գոյություն չունի։

Սակայն այստեղ կա նաև լուծում՝ հեղուկ ածխաջրածնային վառելիքը կարող է օգտագործվել որպես ջրածնի աղբյուր։ Օրինակ, էթիլ կամ մեթիլ սպիրտ: Ճիշտ է, այստեղ արդեն պահանջվում է հատուկ լրացուցիչ սարք՝ վառելիքի փոխարկիչ, որը բարձր ջերմաստիճանում (մեթանոլի համար այն կլինի մոտ 240 ° C) սպիրտները վերածում է գազային H2-ի և CO2-ի խառնուրդի: Բայց այս դեպքում արդեն ավելի դժվար է մտածել շարժականության մասին. նման սարքերը լավ են օգտագործել որպես ստացիոնար կամ, բայց կոմպակտ շարժական սարքավորումների համար ձեզ ավելի քիչ ծավալուն բան է անհրաժեշտ:

Եվ ահա մենք գալիս ենք հենց այն սարքին, որը սարսափելի ուժով մշակում են էլեկտրոնիկայի գրեթե բոլոր խոշորագույն արտադրողները. մեթանոլի վառելիքի բջիջ(Նկար 2):

Նկ.2. Մեթանոլի վրա վառելիքի բջիջի շահագործման սկզբունքը

Ջրածնի և մեթանոլի վառելիքի բջիջների միջև հիմնարար տարբերությունը օգտագործվող կատալիզատորն է: Մեթանոլի վառելիքի բջիջում կատալիզատորը թույլ է տալիս պրոտոններին ուղղակիորեն աբստրակտացնել ալկոհոլի մոլեկուլից: Այսպիսով, վառելիքի հետ կապված հարցը լուծված է՝ մեթիլ սպիրտը զանգվածաբար արտադրվում է քիմիական արդյունաբերության համար, այն հեշտ է պահել և տեղափոխել, իսկ մեթանոլային վառելիքի բջիջը լիցքավորելու համար բավական է պարզապես փոխարինել վառելիքի քարթրիջը։ Ճիշտ է, կա մեկ նշանակալի մինուս՝ մեթանոլը թունավոր է։ Բացի այդ, մեթանոլի վառելիքի բջիջի արդյունավետությունը շատ ավելի ցածր է, քան ջրածնի վառելիքի մարտկոցը:

Բրինձ. 3. Մեթանոլի վառելիքի բջիջ

Ամենագայթակղիչ տարբերակը էթիլային սպիրտ օգտագործելն է որպես վառելիք, քանի որ ցանկացած բաղադրության և ուժի ալկոհոլային խմիչքների արտադրությունն ու բաշխումը լավ հաստատված է ամբողջ տարածքում: երկրագունդը. Այնուամենայնիվ, էթանոլի վառելիքի բջիջների արդյունավետությունը, ցավոք, նույնիսկ ավելի ցածր է, քան մեթանոլի վառելիքի բջիջները:

Ինչպես նշվեց վառելիքի բջիջների զարգացման երկար տարիների ընթացքում, կառուցվել են վառելիքի բջիջների տարբեր տեսակներ: Վառելիքի բջիջները դասակարգվում են ըստ էլեկտրոլիտի և վառելիքի տեսակի:

1. Պինդ պոլիմերային ջրածին-թթվածին էլեկտրոլիտ:

2. Պինդ պոլիմերային մեթանոլային վառելիքի բջիջներ:

3. Տարրեր ալկալային էլեկտրոլիտի վրա:

4. Ֆոսֆորաթթվի վառելիքի բջիջներ:

5. Վառելիքի բջիջներ հալված կարբոնատների վրա:

6. Պինդ օքսիդ վառելիքի բջիջներ:

Իդեալում, վառելիքի բջիջների արդյունավետությունը շատ բարձր է, բայց իրական պայմաններում կան կորուստներ՝ կապված ոչ հավասարակշռության գործընթացների հետ, ինչպիսիք են՝ էլեկտրոլիտի և էլեկտրոդների հատուկ հաղորդունակության պատճառով օհմական կորուստները, ակտիվացման և կոնցենտրացիայի բևեռացումը, դիֆուզիոն կորուստները: Արդյունքում վառելիքի բջիջներում առաջացած էներգիայի մի մասը վերածվում է ջերմության: Մասնագետների ջանքերն ուղղված են այդ կորուստները նվազեցնելուն։

Օմիկական կորուստների հիմնական աղբյուրը, ինչպես նաև վառելիքի բջիջների բարձր գնի պատճառը պերֆտորացված սուլֆոկացիոն իոնափոխանակման թաղանթներն են։ Այժմ կան այլընտրանքային, ավելի էժան պրոտոններ հաղորդող պոլիմերների որոնումներ: Քանի որ այդ թաղանթների (պինդ էլեկտրոլիտների) հաղորդունակությունը հասնում է ընդունելի արժեքի (10 Ω/սմ) միայն ջրի առկայության դեպքում, վառելիքի մարտկոցին մատակարարվող գազերը պետք է լրացուցիչ խոնավացվեն հատուկ սարքում, ինչը նաև բարձրացնում է դրա արժեքը։ համակարգ. Գազի կատալիտիկ դիֆուզիոն էլեկտրոդներում հիմնականում օգտագործվում են պլատինը և որոշ այլ ազնիվ մետաղներ, որոնց փոխարինող առայժմ չի գտնվել։ Չնայած վառելիքի բջիջներում պլատինի պարունակությունը մի քանի մգ/սմ2 է, մեծ մարտկոցների դեպքում դրա քանակը հասնում է տասնյակ գրամի։

Վառելիքի բջիջները նախագծելիս մեծ ուշադրություն է դարձվում ջերմության հեռացման համակարգին, քանի որ հոսանքի բարձր խտության դեպքում (մինչև 1 Ա/սմ2) համակարգը ինքնին տաքանում է: Սառեցման համար օգտագործվում է վառելիքի բջիջում հատուկ ալիքներով շրջանառվող ջուրը, իսկ ցածր հզորության դեպքում օդը փչում է։

Այսպիսով, էլեկտրաքիմիական գեներատորի ժամանակակից համակարգը, բացի ինքնին վառելիքի մարտկոցից, «գերաճած» է բազմաթիվ օժանդակ սարքերով, ինչպիսիք են՝ պոմպերը, օդի մատակարարման կոմպրեսորը, մուտքային ջրածինը, գազի խոնավացուցիչը, հովացման միավորը, գազի արտահոսքի կառավարման համակարգ, DC-ից AC փոխարկիչ, կառավարման պրոցեսոր և այլն:Այս ամենը հանգեցնում է նրան, որ վառելիքի բջիջների համակարգի արժեքը 2004-2005 թվականներին կազմել է 2-3 հազար դոլար/կՎտ: Փորձագետների կարծիքով՝ վառելիքի բջիջները հասանելի կդառնան տրանսպորտում և ստացիոնար էլեկտրակայաններում օգտագործելու համար 50-100 դոլար/կՎտ գնով։

Վառելիքի բջիջները առօրյա կյանք ներմուծելու համար, ավելի էժան բաղադրիչների հետ մեկտեղ, պետք է ակնկալել նոր օրիգինալ գաղափարներ և մոտեցումներ: Մասնավորապես, մեծ հույսեր են կապվում նանոնյութերի և նանոտեխնոլոգիաների կիրառման հետ։ Օրինակ, մի քանի ընկերություններ վերջերս հայտարարեցին գերարդյունավետ կատալիզատորների ստեղծման մասին, մասնավորապես թթվածնի էլեկտրոդի համար, որոնք հիմնված են տարբեր մետաղներից նանոմասնիկների կլաստերների վրա: Բացի այդ, եղել են ոչ թաղանթային վառելիքային բջիջների նախագծման մասին հաղորդումներ, որոնցում հեղուկ վառելիք (օրինակ՝ մեթանոլ) օքսիդացնող նյութի հետ միասին վառելիքի բջիջ է սնվում: Հետաքրքիր է նաև բիովառելիքի բջիջների մշակված հայեցակարգը, որն աշխատում է աղտոտված ջրերում և որպես օքսիդիչ սպառում է լուծված օդի թթվածինը, և օրգանական կեղտերորպես վառելիք:

Փորձագետները կանխատեսում են, որ մոտակա տարիներին վառելիքի բջիջները զանգվածային շուկա դուրս կգան։ Իրոք, մշակողները մեկը մյուսի հետևից հաղթահարում են տեխնիկական խնդիրները, հայտնում հաջողությունների մասին և ներկայացնում վառելիքի բջիջների նախատիպերը: Օրինակ, Toshiba-ն ցուցադրեց մեթանոլի պատրաստի վառելիքի բջիջների նախատիպը: Այն ունի 22x56x4.5 մմ չափսեր և տալիս է մոտ 100 մՎտ հզորություն։ 2 խորանարդի խտացված (99,5%) մեթանոլի մեկ լիցքավորումը բավարար է MP3 նվագարկչի 20 ժամ աշխատանքի համար: Toshiba-ն թողարկել է կոմերցիոն վառելիքի բջիջ՝ բջջային հեռախոսները սնուցելու համար: Կրկին նույն Toshiba-ն ցուցադրեց 275x75x40 մմ նոութբուքի սնուցման տարր, որը թույլ է տալիս համակարգչին աշխատել 5 ժամ մեկ լիցքավորումից։

Ոչ հեռու Toshiba-ից և մեկ այլ ճապոնական ընկերության՝ Fujitsu-ից: 2004 թվականին նա նաև ներկայացրեց մի տարր, որն աշխատում է 30% ջրային մեթանոլի լուծույթի վրա: Այս վառելիքի բջիջը 10 ժամ աշխատել է 300 մլ լիցքավորմամբ և միևնույն ժամանակ արտադրել 15 Վտ հզորություն:

Casio-ն վառելիքի բջիջ է մշակում, որտեղ մեթանոլը սկզբում վերամշակվում է H2 և CO2 գազերի խառնուրդի մանրանկարիչ վառելիքի փոխարկիչում, այնուհետև սնվում վառելիքի բջիջ: Դեմո ցուցադրության ժամանակ Casio-ի նախատիպը սնուցում է նոութբուքը 20 ժամ:

Samsung-ը նույնպես իր անունն է ձեռք բերել վառելիքի բջիջների ոլորտում. 2004 թվականին նա ցուցադրեց իր 12 Վտ հզորությամբ նախատիպը, որը նախատեսված էր նոութբուքի սնուցման համար: Ընդհանուր առմամբ, Samsung-ը մտադիր է վառելիքի բջիջներ օգտագործել առաջին հերթին չորրորդ սերնդի սմարթֆոններում։

Պետք է ասեմ, որ ճապոնական ընկերությունները հիմնականում շատ մանրակրկիտ են մոտեցել վառելիքի բջիջների զարգացմանը։ Դեռևս 2003թ.-ին այնպիսի ընկերություններ, ինչպիսիք են Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony և Toshiba-ն, միավորեցին իրենց ուժերը՝ մշակելու նոթբուքերի, բջջային հեռախոսների, PDA-ների և այլ էլեկտրոնային սարքերի համար վառելիքի բջիջների ընդհանուր ստանդարտ: Ամերիկյան ընկերությունները, որոնցից շատ են նաև այս շուկայում, հիմնականում աշխատում են բանակի հետ պայմանագրերով և վառելիքի բջիջներ են մշակում ամերիկացի զինվորներին էլեկտրաֆիկացնելու համար։

Գերմանացիները հետ չեն մնում՝ Smart Fuel Cell ընկերությունը վաճառում է վառելիքի բջիջներ՝ շարժական գրասենյակը սնուցելու համար: Սարքը կոչվում է Smart Fuel Cell C25, ունի 150x112x65 մմ չափսեր և մեկ լիցքավորման դեպքում կարող է արտադրել մինչև 140 վտ/ժամ: Սա բավական է նոութբուքը մոտ 7 ժամ սնուցելու համար։ Այնուհետև փամփուշտը կարող է փոխարինվել, և դուք կարող եք շարունակել աշխատել: Մեթանոլի փամփուշտի չափսերը 99x63x27 մմ են, իսկ քաշը՝ 150 գ։ Համակարգն ինքնին կշռում է 1,1 կգ, այնպես որ դուք չեք կարող այն անվանել ամբողջովին շարժական, բայց այնուամենայնիվ այն լիովին պատրաստ և հարմար սարք է: Ընկերությունը նաև մշակում է վառելիքի մոդուլ՝ պրոֆեսիոնալ տեսախցիկների սնուցման համար:

Ընդհանուր առմամբ, վառելիքի բջիջները գրեթե մուտք են գործել բջջային էլեկտրոնիկայի շուկա: Արտադրողները պետք է լուծեն վերջին տեխնիկական խնդիրները մինչև զանգվածային արտադրություն սկսելը։

Նախ, անհրաժեշտ է լուծել վառելիքի բջիջների մանրացման հարցը: Ի վերջո, որքան փոքր է վառելիքի բջիջը, այնքան ավելի քիչ էներգիա կարող է արտադրվել, ուստի անընդհատ մշակվում են նոր կատալիզատորներ և էլեկտրոդներ, որոնք թույլ են տալիս փոքր չափսերով առավելագույնի հասցնել աշխատանքային մակերեսը: Այստեղ նանոտեխնոլոգիաների և նանոնյութերի (օրինակ՝ նանոխողովակների) ոլորտում վերջին զարգացումները շատ օգտակար են: Կրկին տարրերի խողովակաշարերի մանրացման համար (վառելիքի և ջրի պոմպեր, հովացման համակարգեր և վառելիքի փոխակերպում) ավելի ու ավելի են օգտագործվում միկրոէլեկտրամեխանիկայի ձեռքբերումները:

Երկրորդ կարևոր խնդիրը, որը պետք է լուծվի, դա գինն է: Ի վերջո, շատ թանկարժեք պլատինը օգտագործվում է որպես կատալիզատոր վառելիքի բջիջների մեծ մասում: Կրկին, որոշ արտադրողներ փորձում են առավելագույնս օգտագործել արդեն իսկ կայացած սիլիկոնային տեխնոլոգիաներից:

Ինչ վերաբերում է վառելիքի բջիջների օգտագործման այլ ոլորտներին, ապա վառելիքի բջիջներն արդեն հաստատապես հաստատվել են այնտեղ, թեև դրանք դեռ չեն դարձել հիմնական՝ ո՛չ էներգետիկ ոլորտում, ո՛չ տրանսպորտում: Արդեն ավտոարտադրողներից շատերը ներկայացրել են իրենց վառելիքային բջիջներով աշխատող կոնցեպտ ավտոմեքենաները: Վառելիքի մարտկոցներով ավտոբուսներ աշխատում են աշխարհի մի շարք քաղաքներում: Կանադական Ballard Power Systems-ի թողարկումները ամբողջ գիծը 1-ից 250 կՎտ հզորությամբ ստացիոնար գեներատորներ: Միևնույն ժամանակ, կիլովատտ գեներատորները նախատեսված են մեկ բնակարանին անմիջապես էլեկտրականությամբ, ջերմությամբ և տաք ջրով ապահովելու համար։

վառելիքի բջիջներ Վառելիքի բջիջները քիմիական էներգիայի աղբյուրներ են: Նրանք իրականացնում են վառելիքի էներգիայի ուղղակի փոխակերպումը էլեկտրաէներգիայի՝ շրջանցելով անարդյունավետ, մեծ կորուստներով այրման գործընթացները։ Այս էլեկտրաքիմիական սարքը, վառելիքի բարձր արդյունավետ «սառը» այրման արդյունքում, ուղղակիորեն արտադրում է էլեկտրաէներգիա։

Կենսաքիմիկոսները հաստատել են, որ յուրաքանչյուրի մեջ «ներկառուցված է» կենսաբանական ջրածին-թթվածին վառելիքի բջիջ կենդանի բջիջ(տես գլուխ 2):

Օրգանիզմում ջրածնի աղբյուրը սնունդն է՝ ճարպեր, սպիտակուցներ և ածխաջրեր։ Ստամոքսում, աղիքներում և բջիջներում այն ​​ի վերջո քայքայվում է մոնոմերների, որոնք, իր հերթին, մի շարք քիմիական փոխակերպումներից հետո տալիս են կրող մոլեկուլին կցված ջրածին։

Օդից թթվածինը թոքերի միջոցով մտնում է արյուն, միանում է հեմոգլոբինին և տեղափոխվում բոլոր հյուսվածքներ։ Ջրածինը թթվածնի հետ համատեղելու գործընթացը մարմնի կենսաէներգետիկության հիմքն է։ Այստեղ մեղմ պայմաններում (սենյակային ջերմաստիճան, նորմալ ճնշում, ջրային միջավայր) բարձր արդյունավետությամբ քիմիական էներգիան վերածվում է ջերմային, մեխանիկական (մկանների շարժում), էլեկտրականության ( էլեկտրական Stingray), լույս (միջատներ լույս արձակող).

Մարդը ևս մեկ անգամ կրկնեց բնության կողմից ստեղծված էներգիա ստանալու սարքը։ Միաժամանակ այս փաստը վկայում է ուղղության հեռանկարների մասին։ Բնության մեջ բոլոր գործընթացները շատ ռացիոնալ են, ուստի վառելիքի բջիջների իրական օգտագործմանն ուղղված քայլերը հույս են ներշնչում էներգետիկ ապագայի նկատմամբ:

1838 թվականին ջրածին-թթվածնային վառելիքի բջիջի հայտնաբերումը պատկանում է անգլիացի գիտնական Վ.Գրոուվին։ Ուսումնասիրելով ջրի տարրալուծումը ջրածնի և թթվածնի՝ նա հայտնաբերեց մի կողմնակի ազդեցություն՝ էլեկտրոլիզատորը էլեկտրական հոսանք է արտադրում:

Ի՞նչ է այրվում վառելիքի բջիջում:
Հանածո վառելանյութերը (ածուխ, գազ և նավթ) հիմնականում ածխածին են։ Այրման ընթացքում վառելիքի ատոմները կորցնում են էլեկտրոններ, իսկ օդի թթվածնի ատոմները ստանում են դրանք: Այսպիսով, օքսիդացման գործընթացում ածխածնի և թթվածնի ատոմները միավորվում են այրման արտադրանքի մեջ `ածխաթթու գազի մոլեկուլներ: Այս գործընթացը եռանդուն է՝ այրման մեջ ներգրավված նյութերի ատոմներն ու մոլեկուլները ձեռք են բերում բարձր արագություններ, ինչը հանգեցնում է դրանց ջերմաստիճանի բարձրացման։ Նրանք սկսում են լույս արձակել - բոց է հայտնվում:

Ածխածնի այրման քիմիական ռեակցիան ունի հետևյալ ձևը.

C + O2 = CO2 + ջերմություն

Այրման գործընթացում քիմիական էներգիան վերածվում է ջերմային էներգիայի՝ վառելիքի ատոմների և օքսիդիչի միջև էլեկտրոնների փոխանակման պատճառով։ Այս փոխանակումը տեղի է ունենում պատահականորեն:

Այրումը ատոմների միջև էլեկտրոնների փոխանակումն է, իսկ էլեկտրական հոսանքը էլեկտրոնների ուղղորդված շարժումն է։ Եթե ​​քիմիական ռեակցիայի ընթացքում էլեկտրոնները ստիպված են լինում աշխատել, ապա այրման գործընթացի ջերմաստիճանը կնվազի։ FC-ում էլեկտրոնները վերցվում են մի էլեկտրոդի ռեակտիվներից, թողնում են իրենց էներգիան էլեկտրական հոսանքի տեսքով, իսկ մյուսում միանում են ռեակտիվներին։

Ցանկացած HIT-ի հիմքը երկու էլեկտրոդներ են, որոնք միացված են էլեկտրոլիտով: Վառելիքի բջիջը բաղկացած է անոդից, կաթոդից և էլեկտրոլիտից (տես գլ. 2): Անոդում օքսիդանում է, այսինքն. նվիրաբերում է էլեկտրոններ, վերականգնող նյութ (CO կամ H2 վառելիք), անոդից ազատ էլեկտրոնները մտնում են արտաքին միացում, իսկ դրական իոնները պահպանվում են անոդ-էլեկտրոլիտ միջերեսում (CO+, H+): Շղթայի մյուս ծայրից էլեկտրոնները մոտենում են կաթոդին, որի վրա տեղի է ունենում վերականգնողական ռեակցիա (էլեկտրոնների ավելացում O2– օքսիդացնող նյութի կողմից)։ Այնուհետև օքսիդանտ իոնները էլեկտրոլիտով տեղափոխվում են կաթոդ:

ՖԿ-ում ֆիզիկաքիմիական համակարգի երեք փուլերը միավորվում են.

գազ (վառելիք, օքսիդիչ);
էլեկտրոլիտ (իոնների հաղորդիչ);
մետաղական էլեկտրոդ (էլեկտրոնների հաղորդիչ):
Վառելիքի բջիջներում ռեդոքս ռեակցիայի էներգիան վերածվում է էլեկտրական էներգիայի, իսկ օքսիդացման և վերականգնման գործընթացները տարածականորեն բաժանվում են էլեկտրոլիտով։ Էլեկտրոդները և էլեկտրոլիտները չեն մասնակցում ռեակցիային, սակայն իրական ձևավորումներում ժամանակի ընթացքում դրանք աղտոտվում են վառելիքի կեղտերով: Էլեկտրաքիմիական այրումը կարող է ընթանալ ցածր ջերմաստիճաններում և գործնականում առանց կորուստների: Նկ. p087 ցույց է տալիս իրավիճակը, երբ գազերի խառնուրդը (CO և H2) մտնում է վառելիքի բջիջ, այսինքն. այն կարող է այրել գազային վառելիք (տե՛ս գլ. 1): Այսպիսով, ՏԷ-ն «ամենակեր» է ստացվում։

Վառելիքի բջիջների օգտագործումը բարդանում է նրանով, որ վառելիքը պետք է «պատրաստվի» դրանց համար։ Վառելիքի բջիջների համար ջրածինը ստացվում է օրգանական վառելիքի կամ ածխի գազաֆիկացման փոխակերպմամբ։ Հետևաբար, վառելիքի մարտկոցի վրա էլեկտրակայանի կառուցվածքային դիագրամը, ի լրումն վառելիքի մարտկոցների, DC-ից AC փոխարկիչի (տես Գլուխ 3) և օժանդակ սարքավորումների, ներառում է ջրածնի արտադրության միավոր:

ՖԱ զարգացման երկու ուղղություն

Վառելիքի բջիջների կիրառման երկու ուղղություն կա՝ ինքնավար և լայնածավալ էներգիա։

Ինքնավար օգտագործման համար առանձնահատուկ բնութագրերը և օգտագործման հեշտությունը հիմնականն են: Արտադրված էներգիայի արժեքը հիմնական ցուցանիշը չէ։

Մեծ էներգիայի արտադրության համար արդյունավետությունը որոշիչ գործոն է: Բացի այդ, տեղադրումները պետք է լինեն դիմացկուն, չպարունակեն թանկարժեք նյութեր և օգտագործեն բնական վառելիքուսուցման նվազագույն ծախսերով:

Ամենամեծ առավելությունները տրվում են մեքենայում վառելիքի բջիջների օգտագործումը: Այստեղ, ինչպես ոչ մի տեղ, վառելիքի բջիջների կոմպակտությունը ազդեցություն կունենա: Վառելիքից էլեկտրաէներգիայի ուղղակի ստացմամբ վերջինիս խնայողությունը կկազմի մոտ 50%։

Առաջին անգամ լայնածավալ էներգետիկայում վառելիքի բջիջների օգտագործման գաղափարը ձևակերպվել է գերմանացի գիտնական Վ. Օսվալդի կողմից 1894 թվականին: Հետագայում մշակվեց վառելիքի բջիջի վրա հիմնված ինքնավար էներգիայի արդյունավետ աղբյուրների ստեղծման գաղափարը:

Դրանից հետո կրկնակի փորձեր են արվել օգտագործել ածուխը որպես վառելիքի բջիջներում որպես ակտիվ նյութ։ 1930-ական թվականներին գերմանացի հետազոտող Է.Բաուերը ստեղծեց վառելիքի բջիջի լաբորատոր նախատիպը պինդ էլեկտրոլիտով ածխի ուղղակի անոդային օքսիդացման համար: Միաժամանակ ուսումնասիրվել են թթվածին-ջրածնային վառելիքի բջիջները։

1958 թվականին Անգլիայում Ֆ.Բեկոնը ստեղծեց առաջին թթվածին-ջրածնային կայանը՝ 5 կՎտ հզորությամբ։ Բայց դա ծանր էր գազի բարձր ճնշման (2 ... 4 ՄՊա) օգտագործման պատճառով:

1955 թվականից Կ.Կորդեշը ԱՄՆ-ում մշակում է ցածր ջերմաստիճանի թթվածին-ջրածնային վառելիքի բջիջներ։ Նրանք օգտագործել են ածխածնային էլեկտրոդներ պլատինե կատալիզատորներով։ Գերմանիայում Է.Յուստն աշխատել է ոչ պլատինե կատալիզատորների ստեղծման վրա։

1960-ից հետո ստեղծվել են ցուցադրական և գովազդային նմուշներ։ Վառելիքի բջիջների առաջին գործնական կիրառումը հայտնաբերվել է Apollo տիեզերանավի վրա: Դրանք հիմնական էլեկտրակայաններն էին օդանավի սարքավորումները սնուցելու համար և տիեզերագնացներին ապահովում էին ջրով և ջերմությամբ:

Վառելիքի բջիջներով ինքնավար կայանքների օգտագործման հիմնական ոլորտները ռազմական և ծովային հավելվածներ. 1960-ականների վերջում վառելիքի բջիջների վերաբերյալ հետազոտությունների ծավալը նվազել է, իսկ 1980-ականներից հետո այն կրկին աճել է լայնածավալ էներգիայի հետ կապված։

VARTA-ն մշակել է FC-ներ՝ օգտագործելով երկկողմանի գազի դիֆուզիոն էլեկտրոդներ: Այս տեսակի էլեկտրոդները կոչվում են «Janus»: Siemens-ը մշակել է էլեկտրոդներ հզորության խտությունըմինչև 90 Վտ/կգ. ԱՄՆ-ում թթվածին-ջրածնային բջիջների վրա աշխատանք է տանում United Technology Corp.

Էլեկտրաէներգիայի լայնածավալ արդյունաբերության մեջ շատ խոստումնալից է վառելիքի բջիջների օգտագործումը էներգիայի լայնածավալ պահպանման համար, օրինակ՝ ջրածնի արտադրությունը (տե՛ս գլ. 1): (արևը և քամին) ցրված են (տե՛ս Գլ. 4): Դրանց լուրջ օգտագործումը, որն ապագայում անփոխարինելի է, անհնար է պատկերացնել առանց տարողունակ մարտկոցների, որոնք այս կամ այն ​​ձևով էներգիա են կուտակում։

Կուտակման խնդիրն արդեն արդիական է այսօր. էներգահամակարգերի ծանրաբեռնվածության ամենօրյա և շաբաթական տատանումները զգալիորեն նվազեցնում են դրանց արդյունավետությունը և պահանջում, այսպես կոչված, մանևրելի հզորություններ։ Էլեկտրաքիմիական էներգիայի պահեստավորման տարբերակներից մեկը վառելիքի բջիջն է՝ էլեկտրոլիզատորների և գազի պահարանների հետ համատեղ*:

* Գազակալ [գազ + անգլ. holder] - մեծ քանակությամբ գազի պահեստ.

TE-ի առաջին սերունդը

Առաջին սերնդի միջին ջերմաստիճանի վառելիքի բջիջները, որոնք աշխատում են 200...230°C ջերմաստիճանում հեղուկ վառելիքի, բնական գազի կամ տեխնիկական ջրածնի* վրա, հասել են տեխնոլոգիական մեծագույն կատարելության։ Դրանցում էլեկտրոլիտը ֆոսֆորաթթուն է, որը լրացնում է ծակոտկեն ածխածնի մատրիցը։ Էլեկտրոդները պատրաստված են ածխածնից, իսկ կատալիզատորը պլատին է (պլատինն օգտագործվում է մի քանի գրամի չափով մեկ կիլովատ հզորության համար):

* Առևտրային ջրածինը հանածո վառելիքի փոխակերպման արտադրանք է, որը պարունակում է ածխածնի երկօքսիդի աննշան կեղտեր:

Նման էլեկտրակայաններից մեկը շահագործման է հանձնվել Կալիֆորնիա նահանգում 1991 թվականին։ Այն բաղկացած է տասնութ մարտկոցներից, որոնց քաշը յուրաքանչյուրը 18 տոննա է և տեղադրված է 2 մ-ից մի փոքր ավելի տրամագծով և մոտ 5 մ բարձրությամբ պատյանում: Մարտկոցի փոխարինման կարգը մտածված է ռելսերի երկայնքով շարժվող շրջանակի կառուցվածքի միջոցով:

ԱՄՆ-ը Ճապոնիային երկու էլեկտրակայան է մատակարարել Ճապոնիային։ Դրանցից առաջինը գործարկվել է 1983 թվականի սկզբին։ Կայանի գործառնական ցուցանիշները համապատասխանել են հաշվարկվածներին։ Նա աշխատել է անվանականի 25-ից 80% բեռով: Արդյունավետությունը հասել է 30...37%-ի, սա մոտ է ժամանակակից խոշոր ջերմաէլեկտրակայաններին։ Սառը վիճակից դրա գործարկման ժամանակը 4 ժամից մինչև 10 րոպե է, իսկ հզորության զրոյից մինչև լրիվ փոփոխման տևողությունը ընդամենը 15 վայրկյան է։

Այժմ ԱՄՆ-ի տարբեր հատվածներում փորձարկվում են 40 կՎտ հզորությամբ փոքր համակցված ջերմաէլեկտրակայաններ՝ վառելիքի օգտագործման մոտ 80% գործակցով։ Դրանք կարող են ջուր տաքացնել մինչև 130°C և տեղադրվում են լվացքատներում, սպորտային համալիրներում, կապի կետերում և այլն։ Մոտ հարյուր ինստալացիա արդեն աշխատել է ընդհանուր առմամբ հարյուր հազարավոր ժամերի ընթացքում: FC էլեկտրակայանների էկոլոգիապես մաքուր լինելը թույլ է տալիս դրանք տեղադրել անմիջապես քաղաքներում:

Նյու Յորքի առաջին վառելիքի էլեկտրակայանը՝ 4,5 ՄՎտ հզորությամբ, զբաղեցրել է 1,3 հեկտար տարածք։ Այժմ երկուսուկես անգամ ավելի հզորությամբ նոր կայանների համար անհրաժեշտ է 30x60 մ չափերի տեղամաս, կառուցվում են մի քանի ցուցադրական էլեկտրակայաններ՝ 11 ՄՎտ հզորությամբ։ Շինարարության ժամկետը (7 ամիս) և էլեկտրակայանի զբաղեցրած տարածքը (30x60 մ) աչքի է ընկնում։ Նոր էլեկտրակայանների շահագործման գնահատված ժամկետը 30 տարի է։

Երկրորդ և երրորդ սերնդի TE

Լավագույն հատկանիշներըարդեն նախագծվում են 5 ՄՎտ հզորությամբ մոդուլային կայաններ՝ երկրորդ սերնդի միջին ջերմաստիճանի վառելիքի բջիջներով։ Նրանք գործում են 650...700°C ջերմաստիճանում։ Դրանց անոդները պատրաստված են նիկելի և քրոմի սինտրացված մասնիկներից, կաթոդները՝ սինթրած և օքսիդացված ալյումինից, իսկ էլեկտրոլիտը լիթիումի և կալիումի կարբոնատների խառնուրդ է։ Բարձրացված ջերմաստիճանը օգնում է լուծել երկու հիմնական էլեկտրաքիմիական խնդիր.

նվազեցնել կատալիզատորի «թունավորումը» ածխածնի երկօքսիդով.
բարձրացնել կաթոդում օքսիդիչի նվազեցման գործընթացի արդյունավետությունը:
Երրորդ սերնդի բարձր ջերմաստիճանի վառելիքի բջիջները պինդ օքսիդների էլեկտրոլիտով (հիմնականում ցիրկոնիումի երկօքսիդ) ավելի արդյունավետ կլինեն: Նրանց աշխատանքային ջերմաստիճանը մինչև 1000°C է։ Նման վառելիքի բջիջներով էլեկտրակայանների արդյունավետությունը մոտ 50% է: Այստեղ որպես վառելիք պիտանի են նաև կարծր ածխի գազաֆիկացման արտադրանքը՝ ածխածնի երկօքսիդի զգալի պարունակությամբ։ Նույնքան կարևոր է, որ բարձր ջերմաստիճանի կայանների թափոնները կարող են օգտագործվել գոլորշու արտադրության համար էլեկտրական գեներատորների համար տուրբիններ քշելու համար:

Vestingaus-ը պինդ օքսիդի վառելիքային բջիջների բիզնեսում է 1958 թվականից: Այն մշակում է 25 ... 200 կՎտ հզորությամբ էլեկտրակայաններ, որոնցում կարելի է օգտագործել ածխից ստացված գազային վառելիք։ Փորձարկման են պատրաստվում մի քանի մեգավատ հզորությամբ փորձարարական կայանքներ։ Մեկ այլ ամերիկյան ընկերություն՝ Engelgurd-ը, նախագծում է 50 կՎտ հզորությամբ վառելիքի բջիջներ, որոնք աշխատում են մեթանոլի վրա՝ որպես էլեկտրոլիտ ֆոսֆորաթթուով:

Ամբողջ աշխարհում ավելի ու ավելի շատ ընկերություններ ներգրավված են վառելիքի բջիջների ստեղծման մեջ: Ամերիկյան United Technology-ն և ճապոնական Toshiba-ն ստեղծեցին International Fuel Cells Corporation-ը: Եվրոպայում վառելիքի բջիջներով զբաղվում են բելգիա-հոլանդական Elenko կոնսորցիումը, արևմտյան գերմանական Siemens ընկերությունը, իտալական Fiat-ը և բրիտանական Jonson Metju-ն։

Վիկտոր Լավրուս.

Եթե ​​ձեզ դուր եկավ այս նյութը, ապա մենք առաջարկում ենք ձեզ մեր կայքի լավագույն նյութերի ընտրանի՝ ըստ մեր ընթերցողների: Ընտրություն - TOP էկոլոգիապես մաքուր տեխնոլոգիաների մասին, նոր գիտությունիսկ գիտական ​​հայտնագործությունները կարող եք գտնել այնտեղ, որտեղ ձեզ առավել հարմար է

Վերջերս վառելիքի բջիջների թեման բոլորի շուրթերին էր: Եվ դա զարմանալի չէ, քանի որ այս տեխնոլոգիայի հայտնվելով էլեկտրոնիկայի աշխարհում, այն նոր ծնունդ է գտել: Միկրոէլեկտրոնիկայի ոլորտում համաշխարհային առաջատարները մրցում են իրենց ապագա արտադրանքի նախատիպերը ներկայացնելու համար, որոնք կինտեգրեն իրենց սեփական մինի էլեկտրակայանները: Սա մի կողմից պետք է թուլացնի շարժական սարքերի կապը «վարդակին», իսկ մյուս կողմից՝ երկարացնի դրանց մարտկոցի կյանքը։

Բացի այդ, նրանցից ոմանք աշխատում են էթանոլի հիման վրա, ուստի այդ տեխնոլոգիաների զարգացումն ուղղակիորեն օգուտ է բերում ալկոհոլային խմիչքներ արտադրողներին. նոութբուքը կշարվի գինու թորման գործարանում:

Մենք չենք կարող հեռու մնալ վառելիքի բջիջների «տենդից», որը պատել է Hi-Tech արդյունաբերությունը, և մենք կփորձենք պարզել, թե ինչպիսի կենդանի է այս տեխնոլոգիան, ինչով են այն ուտում և երբ պետք է ակնկալենք, որ այն կհասնի: «քեյթրինգ». Այս նյութում մենք կքննարկենք վառելիքի բջիջների անցած ճանապարհը այս տեխնոլոգիայի հայտնաբերման պահից մինչև մեր օրերը: Կփորձենք գնահատել նաև դրանց իրականացման և ապագայում զարգացման հեռանկարները։

Ինչպես էր

Վառելիքի բջիջի սկզբունքը առաջին անգամ նկարագրվել է 1838 թվականին Քրիստիան Ֆրիդրիխ Շոնբայնի կողմից, իսկ մեկ տարի անց «Philosophical Journal»-ը հրապարակել է նրա հոդվածը այս թեմայով։ Սակայն դրանք միայն տեսական ուսումնասիրություններ էին։ Առաջին աշխատող վառելիքի բջիջը լույս տեսավ 1843 թվականին ուելսյան ծագումով գիտնական սըր Ուիլյամ Ռոբերտ Գրուվի լաբորատորիայում: Այն ստեղծելիս գյուտարարն օգտագործել է ժամանակակից ֆոսֆորաթթվային մարտկոցներում օգտագործվող նյութերին նմանվող նյութեր։ Այնուհետև, Սըր Գրոուի վառելիքի բջիջը բարելավվեց Վ. Թոմաս Գրուբի կողմից: 1955 թվականին այս քիմիկոսը, ով աշխատում էր լեգենդար General Electric Company-ում, որպես վառելիքի բջիջի էլեկտրոլիտ օգտագործեց սուլֆոնացված պոլիստիրոլի իոնափոխանակման թաղանթ: Միայն երեք տարի անց նրա գործընկեր Լեոնարդ Նիդրախը առաջարկեց թաղանթի վրա պլատինի երեսարկման տեխնոլոգիան, որը կատալիզատոր էր գործում ջրածնի օքսիդացման և թթվածնի կլանման գործընթացում։

Վառելիքի բջիջների «հայր» Քրիստիան Շոնբայն

Այս սկզբունքները հիմք են հանդիսացել վառելիքի բջիջների նոր սերնդի համար, որոնք կոչվում են «Grubb-Nidrach» տարրեր՝ իրենց ստեղծողների անունով: General Electric-ը շարունակեց զարգանալ այս ուղղությամբ, որում NASA-ի և ավիացիոն հսկայի McDonnell Aircraft-ի աջակցությամբ ստեղծվեց առաջին առևտրային վառելիքի բջիջը: Վրա նոր տեխնոլոգիաուշադրություն դարձրեց օվկիանոսին. Եվ արդեն 1959 թվականին բրիտանացի Ֆրենսիս Բեկոնը (Ֆրենսիս Թոմաս Բեկոն) ներկայացրեց 5 կՎտ հզորությամբ կայուն վառելիքի բջիջ: Նրա արտոնագրված նախագծերը հետագայում լիցենզավորվեցին ամերիկացիների կողմից և օգտագործվեցին ՆԱՍԱ-ի տիեզերանավերում էներգիայի և մատակարարման համակարգերում: խմելու ջուր. Նույն թվականին ամերիկացի Հարրի Իհրիգը կառուցեց առաջին վառելիքային մարտկոցով տրակտորը (ընդհանուր հզորությունը 15 կՎտ): Կալիումի հիդրօքսիդն օգտագործվել է որպես էլեկտրոլիտ մարտկոցներում, իսկ սեղմված ջրածինը և թթվածինը օգտագործվել են որպես ռեակտիվներ։

Առաջին անգամ առևտրային նպատակներով ստացիոնար վառելիքի բջիջների արտադրությունը գործարկվեց UTC Power-ի կողմից, որն առաջարկում էր պահեստային էներգիայի համակարգեր հիվանդանոցների, համալսարանների և բիզնես կենտրոնների համար: Այս ընկերությունը, որն այս ոլորտում համաշխարհային առաջատար է, մինչ օրս արտադրում է նմանատիպ լուծումներ մինչև 200 կՎտ հզորությամբ։ Այն նաև ՆԱՍԱ-ի համար վառելիքի բջիջների հիմնական մատակարարն է: Նրա արտադրանքը լայնորեն օգտագործվել է տիեզերական ծրագիր Apollo-ն և դեռ պահանջված է որպես Space Shuttle ծրագրի մաս: UTC Power-ը նաև առաջարկում է «սպառողի սպառման» վառելիքի բջիջներ մեքենաների օգտագործման լայն շրջանակի համար: Նա առաջինն էր, ով ստեղծեց վառելիքի բջիջ, որը թույլ է տալիս հոսանք ստանալ բացասական ջերմաստիճաններում պրոտոնափոխանակման թաղանթի միջոցով:

Ինչպես է դա աշխատում

Հետազոտողները փորձեր են կատարել տարբեր նյութերի հետ՝ որպես ռեագենտներ: Այնուամենայնիվ, վառելիքի բջիջների շահագործման հիմնական սկզբունքները, չնայած զգալիորեն տարբերվում են կատարողական բնութագրերը, մնում է անփոփոխ։ Ցանկացած վառելիքի բջիջ էներգիայի փոխակերպման էլեկտրաքիմիական սարք է: Այն արտադրում է էլեկտրաէներգիա որոշակի քանակությամբ վառելիքից (անոդի կողմից) և օքսիդիչից (կատոդի կողմից): Ռեակցիան ընթանում է էլեկտրոլիտի առկայությամբ (նյութ, որը պարունակում է ազատ իոններ և իրեն պահում է որպես էլեկտրահաղորդիչ միջավայր)։ Սկզբունքորեն, ցանկացած նման սարքում կան որոշակի ռեակտիվներ, որոնք մտնում են դրա մեջ և դրանց ռեակցիայի արտադրանքները, որոնք հեռացվում են էլեկտրաքիմիական ռեակցիան իրականացնելուց հետո: Էլեկտրոլիտը այս դեպքում ծառայում է միայն որպես ռեակտիվների փոխազդեցության միջավայր և չի փոխվում վառելիքի բջիջում: Նման սխեմայի հիման վրա իդեալական վառելիքի բջիջը պետք է աշխատի այնքան ժամանակ, քանի դեռ կա ռեակցիայի համար անհրաժեշտ նյութերի պաշար:

Այստեղ վառելիքի բջիջները չպետք է շփոթել սովորական մարտկոցների հետ: Առաջին դեպքում էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար սպառվում է որոշակի «վառելիք», որը հետագայում լիցքավորման կարիք ունի։ Գալվանական բջիջների դեպքում էլեկտրաէներգիան պահվում է փակ քիմիական համակարգում։ Մարտկոցների դեպքում հոսանքի կիրառումը թույլ է տալիս տեղի ունենալ հակադարձ էլեկտրաքիմիական ռեակցիա և վերադարձնել ռեակտիվները իրենց սկզբնական վիճակին (այսինքն՝ լիցքավորել այն): Հնարավոր է տարբեր համակցություններվառելիք և օքսիդիչ: Օրինակ, ջրածնի վառելիքի բջիջը օգտագործում է ջրածին և թթվածին (օքսիդացնող նյութ) որպես ռեակտիվներ: Հաճախ բիկարբոնատները և սպիրտները օգտագործվում են որպես վառելիք, իսկ օդը, քլորը և քլորի երկօքսիդը գործում են որպես օքսիդանտներ։

Վառելիքի բջիջում տեղի ունեցող կատալիզի ռեակցիան վառելիքից դուրս է մղում էլեկտրոններն ու պրոտոնները, իսկ շարժվող էլեկտրոնները ստեղծում են էլեկտրական հոսանք: Վառելիքի բջիջները սովորաբար օգտագործում են պլատին կամ դրա համաձուլվածքները որպես կատալիզատոր՝ ռեակցիան արագացնելու համար: Մեկ այլ կատալիտիկ գործընթաց վերադարձնում է էլեկտրոնները՝ դրանք միացնելով պրոտոնների և օքսիդացնող նյութի հետ, ինչի արդյունքում առաջանում են ռեակցիայի արտադրանքներ (արտանետումներ): Որպես կանոն, այդ արտանետումները պարզ նյութերջուր և ածխաթթու գազ:

Պայմանական պրոտոնափոխանակման մեմբրանի վառելիքի բջիջում (PEMFC) պոլիմերային պրոտոնային հաղորդիչ թաղանթը բաժանում է անոդի և կաթոդի կողմերը: Կաթոդի կողմից ջրածինը ցրվում է անոդ կատալիզատորի վրա, որտեղ էլեկտրոնները և պրոտոնները հետագայում ազատվում են դրանից: Այնուհետև պրոտոնները մեմբրանի միջով անցնում են կաթոդ, իսկ էլեկտրոնները, չկարողանալով հետևել պրոտոններին (մեմբրանն էլեկտրական մեկուսացված է), ուղղորդվում են արտաքին բեռնվածքի շղթայով (սնուցման համակարգ): Կաթոդիկ կատալիզատորի կողմից թթվածինը փոխազդում է պրոտոնների հետ, որոնք անցել են թաղանթով և էլեկտրոնների հետ, որոնք մտնում են արտաքին բեռնվածքի միացումով: Այս ռեակցիայի արդյունքում ջուր է ստացվում (գոլորշու կամ հեղուկի տեսքով)։ Օրինակ՝ ածխաջրածնային վառելիքի օգտագործմամբ վառելիքի բջիջներում (մեթանոլ, դիզելային վառելիք) ռեակցիաների արգասիքները ջուրն ու ածխաթթու գազն են։

Գրեթե բոլոր տեսակների վառելիքի բջիջները տառապում են էլեկտրական կորուստներից, որոնք առաջանում են ինչպես վառելիքի բջիջի կոնտակտների և տարրերի բնական դիմադրության, այնպես էլ էլեկտրական գերլարման պատճառով (նախնական ռեակցիան իրականացնելու համար անհրաժեշտ լրացուցիչ էներգիա): Որոշ դեպքերում հնարավոր չէ ամբողջությամբ խուսափել այդ կորուստներից, իսկ երբեմն «խաղը մոմ չարժե», բայց ամենից հաճախ դրանք կարելի է հասցնել ընդունելի նվազագույնի։ Այս խնդրի լուծումը այդ սարքերի հավաքածուների օգտագործումն է, որոնցում վառելիքի բջիջները, կախված էներգամատակարարման համակարգի պահանջներից, կարող են միանալ զուգահեռ (ավելի բարձր հոսանք) կամ շարքով (ավելի բարձր լարում):

Վառելիքի բջիջների տեսակները

Վառելիքի բջիջների շատ տեսակներ կան, բայց մենք կփորձենք հակիրճ անդրադառնալ դրանցից ամենատարածվածներին:

Ալկալային վառելիքի բջիջներ (AFC)

Ալկալային կամ ալկալային վառելիքի բջիջները, որոնք նաև կոչվում են Բեկոնի բջիջներ իրենց բրիտանական «հոր» անունով, վառելիքի բջիջների առավել զարգացած տեխնոլոգիաներից են: Հենց այս սարքերն են օգնել մարդուն ոտք դնել Լուսնի վրա: Ընդհանուր առմամբ, NASA-ն օգտագործում է այս տեսակի վառելիքի բջիջները 1960-ականների կեսերից: ԱՖԿ-ները սպառում են ջրածին և մաքուր թթվածին՝ արտադրելով խմելու ջուր, ջերմություն և էլեկտրականություն։ Հիմնականում այն ​​պատճառով, որ այս տեխնոլոգիան լավ զարգացած է, այն ունի նմանատիպ համակարգերի ամենաբարձր արդյունավետության ցուցանիշներից մեկը (մոտ 70% ներուժ):

Այնուամենայնիվ, այս տեխնոլոգիան ունի նաև իր թերությունները. Հեղուկ ալկալային նյութը որպես էլեկտրոլիտ օգտագործելու առանձնահատկությունների պատճառով, որը չի արգելափակում ածխաթթու գազը, հնարավոր է, որ կալիումի հիդրօքսիդը (օգտագործվող էլեկտրոլիտի տարբերակներից մեկը) արձագանքի սովորական օդի այս բաղադրիչին: Արդյունքը կարող է լինել կալիումի կարբոնատի թունավոր միացությունը: Դրանից խուսափելու համար անհրաժեշտ է կամ մաքուր թթվածին օգտագործել, կամ օդը մաքրել ածխաթթու գազից։ Բնականաբար, դա ազդում է նման սարքերի արժեքի վրա: Այնուամենայնիվ, չնայած դրան, AFC-ները այսօր առկա ամենաէժան վառելիքի բջիջներն են:

Ուղղակի բորոհիդրիդային վառելիքի բջիջներ (DBFC)

Ալկալային վառելիքի բջիջների այս ենթատեսակը որպես վառելիք օգտագործում է նատրիումի բորոհիդրիդը: Այնուամենայնիվ, ի տարբերություն սովորական ջրածնային AFC-ների, այս տեխնոլոգիան ունի մեկ նշանակալի առավելություն՝ ածխաթթու գազի հետ շփումից հետո թունավոր միացություններ արտադրելու վտանգ չկա: Սակայն դրա ռեակցիայի արդյունքը բորակ նյութն է, որը լայնորեն կիրառվում է լվացող միջոցների և օճառների մեջ։ Բորակը համեմատաբար ոչ թունավոր է:

DBFC-ները կարող են նույնիսկ ավելի էժան լինել, քան ավանդական վառելիքի բջիջները, քանի որ դրանք չեն պահանջում թանկարժեք պլատինե կատալիզատորներ: Բացի այդ, նրանք ունեն ավելի բարձր էներգիայի խտություն: Ենթադրվում է, որ մեկ կիլոգրամ նատրիումի բորոհիդրիդի արտադրությունն արժե 50 դոլար, բայց եթե զանգվածային արտադրություն կազմակերպվի և բորակ վերամշակվի, ապա այս ձուլակտորը կարող է կրճատվել 50 անգամ։

Մետաղական հիդրիդային վառելիքի բջիջներ (MHFC)

Ալկալային վառելիքի բջիջների այս ենթադասը ներկայումս ակտիվորեն ուսումնասիրվում է: Այս սարքերի առանձնահատկությունն այն է, որ վառելիքի բջիջի ներսում ջրածինը քիմիապես պահպանելու ունակությունն է: Ուղղակի բորոհիդրիդային վառելիքի բջիջն ունի նույն ունակությունը, բայց ի տարբերություն դրա, MHFC-ն լցված է մաքուր ջրածնով:

Ի թիվս տարբերակիչ հատկանիշներԱյս վառելիքի բջիջներն են.

• էլեկտրական էներգիայից վերալիցքավորվելու ունակություն;
• աշխատել ցածր ջերմաստիճանում - մինչև -20 ° C;
• երկար պահպանման ժամկետ;
• արագ «սառը» մեկնարկ;
• որոշ ժամանակ աշխատելու ունակություն առանց ջրածնի արտաքին աղբյուրի (վառելիքի փոխարինման ժամանակահատվածի համար):

Չնայած այն հանգամանքին, որ շատ ընկերություններ աշխատում են զանգվածային արտադրության MHFC-ների ստեղծման վրա, նախատիպերի արդյունավետությունը բավականաչափ բարձր չէ մրցակցային տեխնոլոգիաների համեմատ: Այս վառելիքի բջիջների համար հոսանքի լավագույն խտություններից մեկը 250 միլիամպեր է քառակուսի սանտիմետրում, իսկ սովորական PEMFC վառելիքի բջիջները ապահովում են ընթացիկ խտությունը 1 Ամպեր քառակուսի սանտիմետրում:

Էլեկտրագալվանական վառելիքի բջիջներ (EGFC)

Քիմիական ռեակցիան EGFC-ում տեղի է ունենում կալիումի հիդրօքսիդի և թթվածնի մասնակցությամբ։ Սա էլեկտրական հոսանք է ստեղծում կապարի անոդի և ոսկեպատ կաթոդի միջև: Էլեկտրագալվանական վառելիքի բջիջից ելքային լարումը ուղիղ համեմատական ​​է թթվածնի քանակին: Այս հատկությունը թույլ է տվել EGFC-ին լայնորեն օգտագործել որպես թթվածնի փորձարկման սարք՝ սուզվող սարքավորումների և բժշկական սարքավորումների մեջ: Բայց հենց այս կախվածության պատճառով կալիումի հիդրօքսիդի վառելիքի բջիջներն ունեն արդյունավետ աշխատանքի շատ սահմանափակ ժամկետ (քանի դեռ թթվածնի կոնցենտրացիան բարձր է):

Առաջին սերտիֆիկացված EGFC թթվածնի փորձարկիչները լայն տարածում գտան 2005 թվականին, բայց այն ժամանակ մեծ ժողովրդականություն չստացան: Երկու տարի անց թողարկված, զգալիորեն փոփոխված մոդելը շատ ավելի հաջողակ էր և նույնիսկ մրցանակ ստացավ «նորարարության» համար Ֆլորիդայում մասնագիտացված սուզվողների ցուցահանդեսում: Ներկայումս դրանք օգտագործում են այնպիսի կազմակերպություններ, ինչպիսիք են NOAA-ն (Օվկիանոսների և մթնոլորտի ազգային վարչություն) և DDRC (Սուզման հիվանդությունների հետազոտական ​​կենտրոն):

Մրջնաթթվի ուղղակի վառելիքի բջիջներ (DFAFC)

Այս վառելիքի բջիջները հանդիսանում են PEMFC ուղիղ մրջնաթթվի սարքերի ենթատեսակ: Իրենց առանձնահատկությունների շնորհիվ այս վառելիքի բջիջները մեծ հնարավորություն ունեն դառնալու այնպիսի շարժական էլեկտրոնիկայի էներգիայի հիմնական աղբյուրը, ինչպիսին են նոութբուքերը, Բջջային հեռախոսներև այլն:

Մեթանոլի պես, մածուցիկ թթունն ուղղակիորեն սնվում է վառելիքի բջիջ առանց հատուկ մաքրման քայլի: Այս նյութը պահելը նույնպես շատ ավելի անվտանգ է, քան, օրինակ, ջրածինը, և բացի այդ, անհրաժեշտ չէ հատուկ պահպանման պայմաններ ապահովել. մրջնաթթուն նորմալ ջերմաստիճանում հեղուկ է։ Ավելին, այս տեխնոլոգիան ունի երկու անհերքելի առավելություններ ուղղակի մեթանոլային վառելիքի բջիջների նկատմամբ: Նախ, ի տարբերություն մեթանոլի, մածուցիկ թթուն չի թափանցում թաղանթով: Հետևաբար, DFAFC-ի արդյունավետությունը, ըստ սահմանման, պետք է ավելի բարձր լինի: Երկրորդ, ճնշվածության դեպքում մրջնաթթուն այնքան էլ վտանգավոր չէ (մեթանոլը կարող է կուրություն առաջացնել, իսկ ուժեղ չափաբաժինով՝ մահ)։

Հետաքրքիր է, որ մինչև վերջերս շատ գիտնականներ չէին տեսնում այս տեխնոլոգիան որպես գործնական ապագա: Պատճառը, որը ստիպեց հետազոտողներին երկար տարիներ վերջ դնել մածուցիկ թթունին, բարձր էլեկտրաքիմիական գերլարումն էր, որը հանգեցրեց զգալի էլեկտրական կորուստների: Սակայն վերջին փորձերի արդյունքները ցույց են տվել, որ այս անարդյունավետության պատճառը եղել է պլատինի օգտագործումը որպես կատալիզատոր, որն ավանդաբար լայնորեն օգտագործվում է այդ նպատակով վառելիքի բջիջներում: Այն բանից հետո, երբ Իլինոյսի համալսարանի գիտնականները մի շարք փորձեր կատարեցին այլ նյութերի հետ, պարզվեց, որ պալադիումը որպես կատալիզատոր օգտագործելիս DFAFC-ի արտադրողականությունն ավելի բարձր է, քան համարժեք ուղղակի մեթանոլի վառելիքի բջիջները: Ներկայումս այս տեխնոլոգիայի իրավունքները պատկանում են ամերիկյան Tekion ընկերությանը, որն առաջարկում է միկրոէլեկտրոնային սարքերի Formira Power Pack արտադրանքի շարքը։ Այս համակարգը «դուպլեքս» է, որը բաղկացած է պահեստային մարտկոցից և իրական վառելիքի բջիջից: Այն բանից հետո, երբ մարտկոցը լիցքավորող քարթրիջում ռեագենտների մատակարարումը սպառվում է, օգտագործողը պարզապես այն փոխարինում է նորով։ Այսպիսով, այն լիովին անկախ է դառնում «վարդակից»: Արտադրողի խոստումների համաձայն՝ լիցքավորման միջև ընկած ժամանակահատվածը կկրկնապատկվի, չնայած այն հանգամանքին, որ տեխնոլոգիան կարժենա ընդամենը 10-15%-ով ավելի, քան սովորական մարտկոցները։ Այս տեխնոլոգիայի միակ հիմնական խոչընդոտը կարող է լինել այն, որ այն աջակցվում է ընկերության կողմից Միջին Դասարանև այն կարող է պարզապես «ծանրաբեռնվել» իրենց տեխնոլոգիաները ներկայացնող ավելի լայնածավալ մրցակիցների կողմից, որոնք կարող են նույնիսկ մի շարք պարամետրերով զիջել DFAFC-ին։

Ուղղակի մեթանոլի վառելիքի բջիջներ (DMFC)

Այս վառելիքի բջիջները պրոտոնափոխանակման մեմբրանի սարքերի ենթախումբ են: Նրանք օգտագործում են մեթանոլ, որը լիցքավորվում է վառելիքի բջիջ առանց լրացուցիչ մաքրում. Այնուամենայնիվ, մեթիլ սպիրտը շատ ավելի հեշտ է պահվում և պայթուցիկ չէ (թեև այն դյուրավառ է և կարող է կուրության պատճառ դառնալ): Միևնույն ժամանակ, մեթանոլի էներգետիկ հզորությունը զգալիորեն ավելի բարձր է, քան սեղմված ջրածինը։

Այնուամենայնիվ, շնորհիվ այն բանի, որ մեթանոլը կարող է թափանցել թաղանթով, DMFC-ի արդյունավետությունը վառելիքի մեծ ծավալներով ցածր է: Թեև այս պատճառով դրանք հարմար չեն տրանսպորտի և մեծ տեղակայման համար, այս սարքերը հիանալի են որպես մարտկոցներ փոխարինող շարժական սարքերի համար:

Վերամշակված մեթանոլի վառելիքի բջիջներ (RMFC)

Վերամշակված մեթանոլի վառելիքի բջիջները տարբերվում են DMFC-ներից միայն նրանով, որ նրանք մեթանոլը վերածում են ջրածնի և ածխածնի երկօքսիդի՝ նախքան էլեկտրաէներգիա արտադրելը: Դա տեղի է ունենում հատուկ սարքում, որը կոչվում է վառելիքի պրոցեսոր: Այս նախնական փուլից հետո (ռեակցիան իրականացվում է 250°C-ից բարձր ջերմաստիճանում) ջրածինը ենթարկվում է օքսիդացման ռեակցիայի, որի արդյունքում առաջանում է ջուր և էլեկտրականություն։

RMFC-ում մեթանոլի օգտագործումը պայմանավորված է նրանով, որ այն ջրածնի բնական կրող է, իսկ բավական ցածր ջերմաստիճանի դեպքում (համեմատած այլ նյութերի) այն կարող է քայքայվել ջրածնի և ածխածնի երկօքսիդի։ Հետեւաբար, այս տեխնոլոգիան ավելի առաջադեմ է, քան DMFC-ն: Վերամշակված մեթանոլի վառելիքի բջիջներն ավելի արդյունավետ են, ավելի կոմպակտ և գործում են զրոյից ցածր ջերմաստիճաններում:

Ուղղակի էթանոլի վառելիքի բջիջներ (DEFC)

Վառելիքի բջիջների դասի մեկ այլ ներկայացուցիչ պրոտոնի փոխանակման ցանցով: Ինչպես ենթադրում է անվանումը, էթանոլը մտնում է վառելիքի բջիջ՝ շրջանցելով լրացուցիչ մաքրման կամ տարրալուծման փուլերը ավելի պարզ նյութերի։ Այս սարքերի առաջին առավելությունն օգտագործումն է էթիլային սպիրտթունավոր մեթանոլի փոխարեն: Սա նշանակում է, որ այս վառելիքի մշակման համար մեծ գումարներ պետք չէ ներդնել։

Ալկոհոլի էներգիայի խտությունը մոտավորապես 30%-ով ավելի է, քան մեթանոլինը: Բացի այդ, այն կարելի է մեծ քանակությամբ ստանալ կենսազանգվածից։ Էթանոլի վառելիքի բջիջների արժեքը նվազեցնելու նպատակով ակտիվ որոնումներ են իրականացվում այլընտրանքային կատալիզատորի նյութի համար: Պլատինը, որն ավանդաբար օգտագործվում է վառելիքի բջիջներում այդ նպատակների համար, չափազանց թանկ է և զգալի խոչընդոտ է այդ տեխնոլոգիաների զանգվածային ընդունման համար: Այս խնդրի լուծումը կարող է լինել երկաթի, պղնձի և նիկելի խառնուրդից պատրաստված կատալիզատորները, որոնք տպավորիչ արդյունքներ են ցույց տալիս փորձարարական համակարգերում:

Ցինկ օդային վառելիքի բջիջներ (ZAFC)

ZAFC-ն օգտագործում է ցինկի օքսիդացումն օդից թթվածնով էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Այս վառելիքի բջիջները արտադրվում են էժան և ապահովում են բավականին բարձր էներգիայի խտություն: Ներկայումս դրանք օգտագործվում են լսողական սարքերում և փորձարարական էլեկտրական մեքենաներում։

Անոդի կողմում կա ցինկի մասնիկների խառնուրդ էլեկտրոլիտով, իսկ կաթոդի կողմից՝ օդից ջուր և թթվածին, որոնք փոխազդում են միմյանց հետ և ձևավորում հիդրօքսիլ (դրա մոլեկուլը թթվածնի ատոմն է և ջրածնի ատոմը, որոնց միջև կա կովալենտային կապ): Հիդրօքսիլի ցինկի խառնուրդի հետ փոխազդեցության արդյունքում էլեկտրոններ են ազատվում՝ գնալով դեպի կաթոդ։ Առավելագույն լարումը, որ արտադրում են նման վառելիքի բջիջները, 1,65 Վ է, բայց, որպես կանոն, այն արհեստականորեն իջեցվում է մինչև 1,4–1,35 Վ՝ սահմանափակելով օդային մուտքը համակարգ։ Այս էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի վերջնական արտադրանքը ցինկի օքսիդն է և ջուրը:

Այս տեխնոլոգիան հնարավոր է օգտագործել ինչպես մարտկոցներում (առանց վերալիցքավորման), այնպես էլ վառելիքի բջիջներում։ Վերջին դեպքում, անոդային կողմի խցիկը մաքրվում է և նորից լցվում ցինկի մածուկով: Ընդհանուր առմամբ, ZAFC տեխնոլոգիան ապացուցել է, որ պարզ և հուսալի մարտկոցներ են: Նրանց անվիճելի առավելությունը ռեակցիան վերահսկելու ունակությունն է միայն վառելիքի բջիջին օդի մատակարարումը կարգավորելու միջոցով: Շատ հետազոտողներ դիտարկում են ցինկ-օդ վառելիքի բջիջները որպես էլեկտրական մեքենաների էներգիայի ապագա հիմնական աղբյուր:

Մանրէաբանական վառելիքի բջիջներ (MFC)

Մարդկության օգտին բակտերիաներ օգտագործելու գաղափարը նոր չէ, թեև վերջերս է հասել այդ գաղափարների իրականացմանը։ Ներկայումս ակտիվորեն ուսումնասիրվում է տարբեր ապրանքների արտադրության համար կենսատեխնոլոգիաների կոմերցիոն օգտագործման հարցը (օրինակ՝ կենսազանգվածից ջրածնի արտադրությունը), վնասակար նյութերի չեզոքացումը և էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը։ Մանրէաբանական վառելիքի բջիջները, որոնք նաև կոչվում են կենսաբանական վառելիքի բջիջներ, կենսաբանական էլեկտրաքիմիական համակարգ են, որն էլեկտրաէներգիա է արտադրում բակտերիաների օգտագործման միջոցով: Այս տեխնոլոգիան հիմնված է այնպիսի նյութերի կատաբոլիզմի վրա (բարդ մոլեկուլի տարրալուծումը ավելի պարզի՝ էներգիայի արտազատմամբ) այնպիսի նյութերի, ինչպիսիք են գլյուկոզան, ացետատը (քացախաթթվի աղը), բուտիրատը (բուտիրաթթվի աղը) կամ կեղտաջրերը։ Դրանց օքսիդացման շնորհիվ ազատվում են էլեկտրոններ, որոնք տեղափոխվում են անոդ, որից հետո առաջացած էլեկտրական հոսանքը հաղորդիչով հոսում է դեպի կաթոդ։

Նման վառելիքի բջիջներում միջնորդները սովորաբար օգտագործվում են էլեկտրոնների թափանցելիությունը բարելավելու համար: Խնդիրն այն է, որ նյութերը, որոնք միջնորդի դեր են կատարում, թանկ են և թունավոր։ Սակայն էլեկտրաքիմիապես ակտիվ բակտերիաների օգտագործման դեպքում միջնորդների կարիք չկա։ Նման «առանց հաղորդիչ» մանրէաբանական վառելիքի բջիջները սկսեցին ստեղծվել բոլորովին վերջերս, և, հետևաբար, դրանց բոլոր հատկություններից հեռու լավ ուսումնասիրված են:

Չնայած այն խոչընդոտներին, որոնք MFC-ն դեռ պետք է հաղթահարի, այս տեխնոլոգիան հսկայական ներուժ ունի: Նախ, «վառելիք» գտնելը դժվար չէ։ Ավելին, այսօր շատ սուր է դրված կեղտաջրերի մաքրման և բազմաթիվ թափոնների հեռացման հարցը։ Այս տեխնոլոգիայի կիրառումը կարող է լուծել այս երկու խնդիրները: Երկրորդ, տեսականորեն դրա արդյունավետությունը կարող է շատ բարձր լինել։ Մանրէաբանական վառելիքի բջիջների ինժեներների հիմնական խնդիրը այս սարքի և իրականում ամենակարևոր տարրն են՝ մանրէները: Եվ մինչ միկրոկենսաբանները, ովքեր բազմաթիվ գիտահետազոտական ​​դրամաշնորհներ են ստանում, ուրախանում են, գիտաֆանտաստիկ գրողները նույնպես ձեռքերը շփում են սխալ միկրոօրգանիզմների «հրատարակման» հետևանքների մասին գրքերի հաջողության ակնկալիքով։ Բնականաբար, վտանգ կա դուրս բերել մի բան, որը «կմարսի» ոչ միայն ավելորդ թափոնները, այլեւ արժեքավոր մի բան։ Այսպիսով, սկզբունքորեն, ինչպես ցանկացած նոր կենսատեխնոլոգիայի դեպքում, մարդիկ զգուշանում են բակտերիայով վարակված տուփը գրպանում կրելու գաղափարից:

Դիմում

Ստացիոնար կենցաղային և արդյունաբերական էլեկտրակայաններ

Վառելիքի բջիջները լայնորեն օգտագործվում են որպես էներգիայի աղբյուրներ բոլոր տեսակի ինքնավար համակարգերում, ինչպիսիք են տիեզերանավերը, հեռավոր եղանակային կայանները, ռազմական կայանները և այլն: Նման էլեկտրամատակարարման համակարգի հիմնական առավելությունը նրա չափազանց բարձր հուսալիությունն է այլ տեխնոլոգիաների համեմատ: Վառելիքի բջիջներում շարժվող մասերի և որևէ մեխանիզմի բացակայության պատճառով էլեկտրամատակարարման համակարգերի հուսալիությունը կարող է հասնել 99,99% -ի: Բացի այդ, ջրածինը որպես ռեագենտ օգտագործելու դեպքում կարելի է հասնել շատ փոքր քաշի, ինչը տիեզերական սարքավորումների դեպքում ամենակարեւոր չափանիշներից է։

Վերջին շրջանում ավելի լայն տարածում են գտել բնակելի շենքերում և գրասենյակներում լայնորեն կիրառվող ջերմային և էլեկտրաէներգիայի համակցված սարքավորումները։ Այս համակարգերի առանձնահատկությունն այն է, որ դրանք անընդհատ էլեկտրաէներգիա են արտադրում, որն անմիջապես չսպառելու դեպքում օգտագործվում է ջուրն ու օդը տաքացնելու համար։ Չնայած այն հանգամանքին, որ նման կայանքների էլեկտրական արդյունավետությունը կազմում է ընդամենը 15-20%, այս թերությունը փոխհատուցվում է նրանով, որ չօգտագործված էլեկտրաէներգիան օգտագործվում է ջերմության արտադրության համար: Ընդհանուր առմամբ, նման համակցված համակարգերի էներգաարդյունավետությունը կազմում է մոտ 80%: Նման վառելիքի բջիջների լավագույն ռեակտիվներից մեկը ֆոսֆորաթթուն է: Այս ագրեգատները ապահովում են 90% էներգաարդյունավետություն (35-50% էլեկտրաէներգիա և մնացածը ջերմային էներգիա):

Տրանսպորտ

Վառելիքային բջիջների վրա հիմնված էներգետիկ համակարգերը լայնորեն կիրառվում են նաև տրանսպորտում։ Ի դեպ, գերմանացիներն առաջիններից են եղել, որ մեքենաների վրա վառելիքի բջիջներ են տեղադրել։ Այսպիսով, աշխարհում առաջին առևտրային նավը, որը հագեցած է նման կարգով, հայտնվեց ութ տարի առաջ: Այս փոքր նավը, որը ստացել է «Hydra» անվանումը և նախատեսված է մինչև 22 ուղևոր տեղափոխելու համար, գործարկվել է Գերմանիայի նախկին մայրաքաղաքի մոտ 2000 թվականի հունիսին: Ջրածինը (ալկալային վառելիքի բջիջ) հանդես է գալիս որպես էներգիա կրող ռեագենտ: Ալկալային (ալկալային) վառելիքի բջիջների օգտագործման շնորհիվ մոնտաժն ի վիճակի է հոսանք առաջացնել մինչև -10°C ջերմաստիճանի դեպքում և չի «վախենում» աղաջրից: «Hydra» նավը, որը վարում է 5 կՎտ էլեկտրաշարժիչը, ունակ է զարգացնել մինչև 6 հանգույց (մոտ 12 կմ/ժ):

Նավ «Հիդրա»

Վառելիքի բջիջները (հատկապես ջրածնային էներգիայով աշխատող) շատ ավելի տարածված են դարձել ցամաքային տրանսպորտում։ Ընդհանուր առմամբ, ջրածինը բավականին երկար ժամանակ օգտագործվել է որպես ավտոմեքենաների շարժիչների վառելիք, և սկզբունքորեն, սովորական ներքին այրման շարժիչը հեշտությամբ կարող է փոխակերպվել այս այլընտրանքային վառելիքի օգտագործման համար: Այնուամենայնիվ, ջրածնի սովորական այրումը ավելի քիչ արդյունավետ է, քան ջրածնի և թթվածնի միջև քիմիական ռեակցիայի միջոցով էլեկտրաէներգիա արտադրելը: Եվ իդեալականորեն, ջրածինը, եթե այն օգտագործվի վառելիքի բջիջներում, բացարձակապես անվտանգ կլինի բնության համար կամ, ինչպես ասում են, «բարեկամական շրջակա միջավայրի համար», քանի որ քիմիական ռեակցիայի ընթացքում ածխաթթու գազ կամ այլ նյութեր չեն արտազատվում, որոնք դիպչում են «ջերմոցին»: ազդեցություն»:

Ճիշտ է, այստեղ, ինչպես կարելի էր սպասել, կան մի քանի մեծ «բայց». Փաստն այն է, որ ոչ վերականգնվող ռեսուրսներից (բնական գազ, ածուխ, նավթամթերք) ջրածնի արտադրության շատ տեխնոլոգիաներ այնքան էլ էկոլոգիապես մաքուր չեն, քանի որ դրանց ընթացքում մեծ քանակությամբ ածխածնի երկօքսիդ է արտազատվում: Տեսականորեն, եթե այն ձեռք բերելու համար օգտագործվեն վերականգնվող աղբյուրները, ապա վնասակար արտանետումներ ընդհանրապես չեն լինի։ Սակայն այս դեպքում ծախսերը զգալիորեն ավելանում են։ Շատ փորձագետների կարծիքով՝ այս պատճառներով ջրածնի ներուժը՝ որպես բենզինի կամ բնական գազի փոխարինող, խիստ սահմանափակ է։ Արդեն կան ավելի քիչ թանկ այլընտրանքներ, և, ամենայն հավանականությամբ, պարբերական աղյուսակի առաջին տարրի վառելիքի բջիջները չեն կարողանա զանգվածային երևույթ դառնալ տրանսպորտային միջոցներում։

Ավտոմեքենաներ արտադրողները բավականին ակտիվորեն փորձարկում են ջրածինը որպես էներգիայի աղբյուր: Իսկ դրա հիմնական պատճառը ԵՄ-ի բավականին կոշտ դիրքորոշումն է մթնոլորտ վնասակար արտանետումների հետ կապված։ Եվրոպայում ավելի ու ավելի խիստ սահմանափակումներով խթանված՝ Daimler AG-ն, Fiat-ը և Ford Motor Company-ն ներկայացրել են իրենց տեսլականը ավտոմոբիլային արդյունաբերության վառելիքի բջիջների ապագայի վերաբերյալ՝ իրենց բազային մոդելները համալրելով նմանատիպ ուժային ագրեգատներով: Եվրոպական մեկ այլ ավտոհսկա՝ Volkswagen-ը, ներկայումս պատրաստում է իր վառելիքի բջջային մեքենան: Նրանցից հետ չեն մնում ճապոնական և հարավկորեական ֆիրմաները։ Այնուամենայնիվ, ոչ բոլորն են խաղադրույքներ կատարում այս տեխնոլոգիայի վրա: Շատերը նախընտրում են փոփոխել ներքին այրման շարժիչները կամ միավորել դրանք մարտկոցով աշխատող էլեկտրական շարժիչների հետ: Այս ճանապարհով գնացին Toyota-ն, Mazda-ն և BMW-ն։ Ինչ վերաբերում է ամերիկյան ընկերություններին, ապա Ford-ից բացի իր Focus մոդելով, General Motors-ը ներկայացրել է նաև վառելիքային մարտկոցներով մի քանի մեքենաներ։ Այս բոլոր ձեռնարկումները ակտիվորեն խրախուսվում են բազմաթիվ պետությունների կողմից։ Օրինակ՝ ԱՄՆ-ում կա օրենք, ըստ որի շուկա մտնող նոր հիբրիդային մեքենան ազատվում է հարկերից, ինչը կարող է բավականին պարկեշտ գումար լինել, քանի որ, որպես կանոն, նման մեքենաներն ավելի թանկ են, քան ավանդական ներքին այրման մեքենաները։ շարժիչներ. Այսպիսով, հիբրիդները որպես գնում ավելի գրավիչ են դառնում։ Սակայն առայժմ այս օրենքը վերաբերում է միայն շուկա մտնող մոդելներին՝ մինչև 60000 ավտոմեքենաների վաճառքի մակարդակի հասնելը, որից հետո նպաստը ավտոմատ կերպով չեղարկվում է։

Էլեկտրոնիկա

Վերջերս վառելիքի բջիջները ավելի ու ավելի են օգտագործվում նոութբուքերի, բջջային հեռախոսների և այլ շարժական էլեկտրոնային սարքերում: Դրա պատճառը մարտկոցի երկար սպասարկման համար նախատեսված սարքերի արագ աճող որկրամոլությունն էր: Հեռախոսներում մեծ սենսորային էկրանների օգտագործման, հզոր ձայնային հնարավորությունների և Wi-Fi-ի, Bluetooth-ի և բարձր հաճախականության անլար կապի այլ արձանագրությունների աջակցության ներդրման արդյունքում փոխվել են նաև մարտկոցի հզորության պահանջները: Եվ չնայած առաջին բջջային հեռախոսների ժամանակներից ի վեր մարտկոցները մեծ ճանապարհ են անցել՝ տարողունակության և կոմպակտության առումով (հակառակ դեպքում, այսօր երկրպագուներին թույլ չէին տա մտնել մարզադաշտեր հաղորդակցման գործառույթ ունեցող այս զենքով), նրանք դեռևս չեն հետևում։ Էլեկտրոնային սխեմաների մանրացումով և ոչ էլ ցանկությամբ արտադրողներն ավելի ու ավելի շատ հնարավորություններ են ներդնում իրենց արտադրանքի մեջ: Ընթացիկ մարտկոցների մեկ այլ նշանակալի թերություն նրանց երկար լիցքավորման ժամանակն է: Ամեն ինչ հանգեցնում է նրան, որ որքան շատ են հեռախոսի կամ գրպանի մուլտիմեդիա նվագարկիչի գործառույթները, որոնք նախատեսված են սեփականատիրոջ ինքնավարությունը բարձրացնելու համար (անլար ինտերնետ, նավիգացիոն համակարգեր և այլն), այնքան այս սարքն ավելի կախված է դառնում «վարդակից»:

Ոչինչ չկա ասելու նոութբուքերի մասին, որոնք շատ ավելի փոքր են, քան առավելագույն չափսերով սահմանափակվածները: Վաղուց ձևավորվել է գերարդյունավետ նոութբուքերի խորշ, որոնք ընդհանրապես նախատեսված չեն ինքնավար աշխատանքի համար, բացառությամբ մի գրասենյակից մյուսը նման տեղափոխման։ Եվ նույնիսկ նոութբուքերի աշխարհի ամենաէֆեկտիվ անդամները պայքարում են մարտկոցի ամբողջ օրն ապահովելու համար: Ուստի ավանդական մարտկոցներին այլընտրանք գտնելու հարցը, որն ավելի թանկ, բայց նաև շատ ավելի արդյունավետ կլիներ, շատ սուր է: Իսկ ոլորտի առաջատար ներկայացուցիչները վերջին շրջանում լուծում են այս խնդիրը։ Ոչ վաղ անցյալում ներմուծվեցին մեթանոլային վառելիքի մարտկոցներ, որոնց զանգվածային մատակարարումները կարող են սկսվել արդեն հաջորդ տարի։

Գիտնականներն ինչ-ինչ պատճառներով ընտրել են մեթանոլը ջրածնի փոխարեն: Մեթանոլը շատ ավելի հեշտ է պահել, քանի որ այն չի պահանջում բարձր ճնշում կամ հատուկ ջերմաստիճանային պայմաններ։ Մեթիլ սպիրտը հեղուկ է -97,0°C-ից 64,7°C ջերմաստիճանում: Միևնույն ժամանակ, մեթանոլի N-րդ ծավալում պարունակվող հատուկ էներգիան մեծության կարգով ավելի մեծ է, քան ջրածնի նույն ծավալում: բարձր ճնշում. Ուղղակի մեթանոլի վառելիքի բջիջների տեխնոլոգիան, որը լայնորեն օգտագործվում է շարժական էլեկտրոնային սարքերում, ներառում է մեթիլ սպիրտվառելիքի բջջի բաքը պարզապես լցնելուց հետո՝ շրջանցելով կատալիտիկ փոխակերպման ընթացակարգը (այստեղից էլ՝ «ուղղակի մեթանոլ» անվանումը): Սա նաև այս տեխնոլոգիայի հիմնական առավելությունն է:

Սակայն, ինչպես կարելի էր ակնկալել, այս բոլոր պլյուսներն ունեին իրենց մինուսները, որոնք զգալիորեն սահմանափակեցին դրա կիրառման շրջանակը։ Հաշվի առնելով այն հանգամանքը, որ, այնուամենայնիվ, այս տեխնոլոգիան դեռ ամբողջությամբ չի մշակվել, մեմբրանի նյութի միջով մեթանոլի «արտահոսքի» հետևանքով նման վառելիքի բջիջների ցածր արդյունավետության խնդիրը մնում է չլուծված։ Բացի այդ, նրանք չունեն տպավորիչ դինամիկ բնութագրեր: Հեշտ չէ որոշել, թե ինչ անել անոդում արտադրվող ածխաթթու գազի հետ: Ժամանակակից DMFC սարքերը ի վիճակի չեն բարձր էներգիա արտադրելու, սակայն ունեն մեծ էներգիայի հզորություն փոքր ծավալի նյութի համար: Սա նշանակում է, որ չնայած դեռ շատ էներգիա չկա, ուղղակի մեթանոլի վառելիքի բջիջները կարող են երկար ժամանակ առաջացնել այն: Սա թույլ չի տալիս նրանց ուղղակիորեն օգտագործել տրանսպորտային միջոցներում՝ իրենց ցածր էներգիայի պատճառով, բայց դրանք դարձնում է գրեթե իդեալական լուծում շարժական սարքերի համար, որոնց համար մարտկոցի կյանքը շատ կարևոր է:

Վերջին միտումները

Թեև մեքենաների համար վառելիքի բջիջները արտադրվել են երկար ժամանակ, սակայն մինչ այժմ այդ լուծումները լայն տարածում չեն գտել։ Դրա համար շատ պատճառներ կան: Իսկ հիմնականը տնտեսական աննպատակահարմարությունն է և արտադրողների՝ մատչելի վառելիքի արտադրությունը գործի դնելու չկամությունը։ Վերականգնվող էներգիայի աղբյուրներին անցնելու բնական գործընթացին պարտադրելու փորձերը, ինչպես կարելի էր ակնկալել, ոչ մի լավ բանի չհանգեցրին։ Իհարկե, գյուղմթերքների գների կտրուկ աճի պատճառը բավականին թաքնված է ոչ թե նրանում, որ դրանք զանգվածաբար սկսել են վերածվել կենսավառելիքի, այլ այն, որ Աֆրիկայի և Ասիայի շատ երկրներ չեն կարողանում բավարար քանակությամբ արտադրանք արտադրել։ նույնիսկ ապրանքների ներքին պահանջարկը բավարարելու համար:

Ակնհայտ է, որ կենսավառելիքի օգտագործման մերժումը չի հանգեցնի պարենի համաշխարհային շուկայում իրավիճակի էական բարելավմանը, այլ, ընդհակառակը, կարող է հարվածել եվրոպացի և ամերիկացի ֆերմերներին, որոնք երկար տարիների ընթացքում առաջին անգամ ստացել են. լավ գումար վաստակելու հնարավորություն. Բայց այս հարցի էթիկական կողմը չի կարելի դուրս գրել, տգեղ է «հացը» լցնել տանկերի մեջ, երբ միլիոնավոր մարդիկ սովամահ են լինում։ Ուստի, մասնավորապես, եվրոպացի քաղաքական գործիչները այժմ ավելի սառն են վերաբերվելու կենսատեխնոլոգիային, ինչն արդեն հաստատվում է էներգիայի վերականգնվող աղբյուրներին անցնելու ռազմավարության վերանայմամբ։

Այս իրավիճակում միկրոէլեկտրոնիկան պետք է դառնա վառելիքի բջիջների կիրառման ամենախոստումնալից ոլորտը: Սա այն վայրն է, որտեղ վառելիքի բջիջներն ունեն հենակետ գրավելու ամենամեծ հնարավորությունը: Նախ՝ բջջային հեռախոս գնողները ավելի պատրաստ են փորձարկումներ անելու, քան, ասենք, ավտոմեքենա գնողները: Եվ երկրորդ՝ նրանք պատրաստ են գումար ծախսել և, որպես կանոն, դեմ չեն «աշխարհը փրկելուն»։ Սա կարելի է հաստատել հնչեղ հաջողություն iPod Nano-ի կարմիր «Bono» տարբերակը, որի վաճառքից ստացված գումարի մի մասը բաժին է ընկել Կարմիր Խաչին։

Apple iPod Nano-ի «Bono» տարբերակը

Դյուրակիր էլեկտրոնիկայի վառելիքի բջիջների վրա ուշադրություն դարձրածների թվում կան ընկերություններ, որոնք նախկինում մասնագիտացած էին վառելիքի բջիջների ստեղծման մեջ և այժմ պարզապես նոր տարածք են բացել դրանց կիրառման համար, ինչպես նաև միկրոէլեկտրոնիկայի առաջատար արտադրողներ: Օրինակ, վերջերս MTI Micro-ն, որն իր բիզնեսը վերափոխել է շարժական էլեկտրոնային սարքերի համար մեթանոլի վառելիքի բջիջներ արտադրելու համար, հայտարարեց, որ զանգվածային արտադրությունը կսկսի 2009 թվականին: Նա նաև ներկայացրեց աշխարհում առաջին մեթանոլային վառելիքի բջջային GPS սարքը: Այս ընկերության ներկայացուցիչների խոսքով՝ մոտ ապագայում նրա արտադրանքն ամբողջությամբ կփոխարինի ավանդական լիթիում-իոնային մարտկոցներին։ Ճիշտ է, սկզբում դրանք էժան չեն լինի, բայց այս խնդիրն ուղեկցում է ցանկացած նոր տեխնոլոգիայի։

Sony-ի նման ընկերության համար, որը վերջերս ցուցադրեց մեդիա-սնուցվող սարքի իր DMFC տարբերակը, այս տեխնոլոգիաները նոր են, բայց նրանք լրջորեն մտածում են չկորցնել խոստումնալից նոր շուկայում: Իր հերթին, Sharp-ն ավելի հեռուն գնաց և իր վառելիքի բջիջների նախատիպով վերջերս սահմանեց համաշխարհային ռեկորդ՝ մեթանոլի մեկ խորանարդ սանտիմետր 0,3 Վտ էներգիայի հատուկ հզորության համար: Նույնիսկ շատ երկրների կառավարություններ հանդիպեցին այս վառելիքային բջիջներ արտադրող ընկերություններին: Այսպիսով, ԱՄՆ-ի, Կանադայի, Մեծ Բրիտանիայի, Ճապոնիայի և Չինաստանի օդանավակայանները, չնայած մեթանոլի թունավորությանը և դյուրավառությանը, չեղարկեցին տնակում դրա փոխադրման նախկինում գոյություն ունեցող սահմանափակումները: Իհարկե, դա թույլատրվում է միայն 200 մլ առավելագույն հզորությամբ հավաստագրված վառելիքի բջիջների համար: Այնուամենայնիվ, սա ևս մեկ անգամ հաստատում է ոչ միայն էնտուզիաստների, այլև պետությունների հետաքրքրությունը այս զարգացումների նկատմամբ։

Ճիշտ է, արտադրողները դեռ փորձում են անվտանգ խաղալ և վառելիքի բջիջներ են առաջարկում հիմնականում որպես պահեստային էներգիայի համակարգ: Այդպիսի լուծումներից մեկը վառելիքի մարտկոցի և մարտկոցի համադրությունն է՝ վառելիքի առկայության դեպքում այն ​​անընդհատ լիցքավորում է մարտկոցը, իսկ վերջանալուց հետո օգտագործողը դատարկ քարթրիջը փոխարինում է մեթանոլի նոր տարայով։ Մեկ այլ հայտնի միտում է ստեղծագործել լիցքավորիչներվառելիքի բջիջների վրա: Նրանք կարող են օգտագործվել շարժման ընթացքում: Միաժամանակ նրանք կարող են շատ արագ լիցքավորել մարտկոցները։ Այսինքն՝ ապագայում երեւի բոլորն էլ իրենց գրպանը կրեն նման «վարդակ»։ Այս մոտեցումը կարող է հատկապես արդիական լինել բջջային հեռախոսների դեպքում։ Իր հերթին, նոութբուքերը տեսանելի ապագայում կարող են ձեռք բերել ներկառուցված վառելիքի բջիջներ, որոնք, եթե ոչ ամբողջությամբ փոխարինում են լիցքավորումը «վարդակից», ապա առնվազն դառնում են դրա լուրջ այլընտրանք:

Այսպես, գերմանական BASF խոշորագույն քիմիական ընկերության կանխատեսումների համաձայն, որը վերջերս հայտարարեց Ճապոնիայում վառելիքային բջիջների զարգացման կենտրոնի կառուցման մեկնարկի մասին, մինչև 2010 թվականը այդ սարքերի շուկան կկազմի 1 միլիարդ դոլար։ Միևնույն ժամանակ, նրա վերլուծաբանները կանխատեսում են մինչև 2020 թվականը վառելիքի բջիջների շուկայի աճ մինչև 20 միլիարդ դոլար: Ի դեպ, BASF-ը նախատեսում է այս կենտրոնում զարգացնել շարժական էլեկտրոնիկայի (մասնավորապես՝ նոթբուքերի) և ստացիոնար էներգիայի համակարգերի վառելիքի բջիջներ։ Այս ձեռնարկության տեղը պատահական չի ընտրվել՝ այդ տեխնոլոգիաների հիմնական գնորդները Գերմանական ընկերությունտեսնում է տեղական ֆիրմաներ.

Եզրակացության փոխարեն

Իհարկե, վառելիքի բջիջներից պետք չէ սպասել, որ դրանք փոխարինող կդառնան գործող էլեկտրամատակարարման համակարգին։ Գոնե տեսանելի ապագայի համար։ Սա երկսայրի սուր է. շարժական էլեկտրակայանները, իհարկե, ավելի արդյունավետ են՝ սպառողին էլեկտրաէներգիա մատակարարելու հետ կապված կորուստների բացակայության պատճառով, բայց հարկ է նաև հաշվի առնել, որ դրանք կարող են լուրջ մրցակից դառնալ կենտրոնացված էլեկտրամատակարարմանը։ համակարգը միայն այն դեպքում, եթե ստեղծվի այդ կայանքների համար վառելիքի մատակարարման կենտրոնացված համակարգ: Այսինքն, «վարդակը» ի վերջո պետք է փոխարինվի որոշակի խողովակով, որն անհրաժեշտ ռեագենտներ է մատակարարում յուրաքանչյուր տան և յուրաքանչյուր անկյունին: Եվ սա բոլորովին նույն ազատությունն ու անկախությունը չէ արտաքին աղբյուրներըընթացիկ, որի մասին խոսում են վառելիքի բջիջների արտադրողները։

Այս սարքերը անհերքելի առավելություն ունեն լիցքավորման արագության տեսքով՝ ես ուղղակի փոխեցի մեթանոլի քարթրիջը (ծայրահեղ դեպքում՝ խցանված Ջեք Դենիելի ավարը) տեսախցիկի մեջ և նորից բաց թողեցի Լուվրի աստիճանները։ Մյուս կողմից, եթե. ասենք, սովորական հեռախոսը լիցքավորվում է երկու ժամով և կպահանջի լիցքավորում 2-3 օրը մեկ, ապա դժվար թե միայն մասնագիտացված խանութներում վաճառվող քարթրիջը փոխելու տարբերակն այդքան շատ լինի, եթե նույնիսկ երկու շաբաթը մեկ: Զանգվածային օգտագործողի պահանջարկը: Եթե մի քանի հարյուր միլիլիտր վառելիքի հերմետիկ տարան հասնի վերջնական սպառողին, դրա գինը ժամանակ կունենա էապես աճել: Միայն արտադրության մասշտաբները կկարողանան պայքարել այս թանկացման դեմ, բայց այս սանդղակը շուկայում պահանջարկ ունի՞ Եվ քանի դեռ չի ընտրվել վառելիքի օպտիմալ տեսակը, շատ դժվար կլինի լուծել այս խնդիրը.խնդրահարույց.

Մյուս կողմից, ավանդական վարդակից լիցքավորման, վառելիքի բջիջների և էներգիայի մատակարարման այլ այլընտրանքային համակարգերի (օրինակ՝ արևային մարտկոցներ) համադրությունը կարող է լուծում լինել էներգիայի աղբյուրների դիվերսիֆիկացման և բնապահպանական տեսակների անցնելու խնդրին: Այնուամենայնիվ, էլեկտրոնային արտադրանքների որոշակի խմբի համար վառելիքի բջիջները կարող են լայնորեն օգտագործվել: Սա հաստատում է այն փաստը, որ Canon-ը վերջերս արտոնագրել է թվային տեսախցիկների սեփական վառելիքի բջիջները և հայտարարել այդ տեխնոլոգիաները իրենց լուծումներում ներառելու ռազմավարության մասին: Ինչ վերաբերում է նոութբուքերին, ապա եթե մոտ ապագայում վառելիքի բջիջները հասնեն դրանց, ապա, ամենայն հավանականությամբ, միայն որպես պահեստային էներգահամակարգ: Այժմ, օրինակ, խոսքը հիմնականում արտաքին լիցքավորման մոդուլների մասին է, որոնք լրացուցիչ միացված են նոութբուքին։

Բայց այս տեխնոլոգիաները զարգացման մեծ հեռանկարներ ունեն երկարաժամկետ. Հատկապես նավթային սովի սպառնալիքի լույսի ներքո, որը կարող է տեղի ունենալ առաջիկա մի քանի տասնամյակների ընթացքում: Այս պայմաններում ավելի կարևոր է ոչ թե այն, թե վառելիքի մարտկոցների արտադրությունը որքան էժան է լինելու, այլ թե որքան է լինելու դրանց վառելիքի արտադրությունը՝ անկախ նավթաքիմիական արդյունաբերությունից, և արդյոք այն կկարողանա՞ ծածկել դրա կարիքը։

Nissan ջրածնային վառելիքի բջիջ

Բջջային էլեկտրոնիկան տարեցտարի բարելավվում է, դառնում է ավելի տարածված և հասանելի. PDA-ներ, դյուրակիր համակարգիչներ, բջջային և թվային սարքեր, լուսանկարների շրջանակներ և այլն: Դրանք բոլորն անընդհատ թարմացվում են նոր հնարավորություններով, ավելի մեծ մոնիտորներով, անլար կապով, ավելի ուժեղ պրոցեսորներով, մինչդեռ նվազում է: չափս.. Էլեկտրաէներգիայի տեխնոլոգիաները, ի տարբերություն կիսահաղորդչային տեխնոլոգիայի, թռիչքներով և սահմաններով չեն անցնում:

Արդյունաբերության ձեռքբերումները սնուցելու համար առկա մարտկոցները և կուտակիչները դառնում են անբավարար, ուստի այլընտրանքային աղբյուրների հարցը շատ սուր է: Վառելիքի բջիջներն ամենահեռանկարային ուղղությունն են: Դրանց գործունեության սկզբունքը հայտնաբերել է դեռևս 1839 թվականին Ուիլյամ Գրովը, ով էլեկտրաէներգիա է արտադրել՝ փոխելով ջրի էլեկտրոլիզը։

Տեսանյութ. վավերագրական, տրանսպորտի վառելիքի բջիջներ՝ անցյալ, ներկա, ապագա

Վառելիքի բջիջները հետաքրքրում են ավտոարտադրողներին, և ստեղծողները նույնպես հետաքրքրված են դրանցով: տիեզերանավեր. 1965 թվականին դրանք նույնիսկ Ամերիկայի կողմից փորձարկվեցին տիեզերք արձակված Gemini 5-ի վրա, իսկ ավելի ուշ՝ Apollo-ի վրա: Միլիոնավոր դոլարներ են ներդրվում վառելիքի բջիջների հետազոտության մեջ նույնիսկ այսօր, երբ խնդիրներ կան շրջակա միջավայրի աղտոտման, հանածո վառելիքի այրման արդյունքում ջերմոցային գազերի արտանետումների ավելացման հետ, որոնց պաշարները նույնպես անսահման չեն:

Վառելիքի բջիջը, որը հաճախ կոչվում է էլեկտրաքիմիական գեներատոր, գործում է ստորև նկարագրված ձևով:

Լինելով, ինչպես կուտակիչներն ու մարտկոցները, գալվանական բջիջ, բայց այն տարբերությամբ, որ ակտիվ նյութերը պահվում են դրանում առանձին։ Նրանք գալիս են էլեկտրոդներին, քանի որ դրանք օգտագործվում են: Բնական վառելիքը կամ դրանից ստացված ցանկացած նյութ այրվում է բացասական էլեկտրոդի վրա, որը կարող է լինել գազային (օրինակ, ջրածին և ածխածնի օքսիդ) կամ հեղուկ, ինչպես սպիրտները։ Դրական էլեկտրոդում, որպես կանոն, թթվածինը արձագանքում է։

Բայց պարզ տեսք ունեցող գործողության սկզբունքը հեշտ չէ իրականություն դարձնել:

DIY վառելիքի բջիջ

Տեսանյութ՝ DIY ջրածնի վառելիքի բջիջ

Ցավոք, մենք չունենք լուսանկարներ, թե ինչպիսին պետք է լինի այս վառելիքի տարրը, մենք հույս ունենք ձեր երևակայության վրա:

Ցածր էներգիայի վառելիքի բջիջ ձեր սեփական ձեռքերով կարելի է պատրաստել նույնիսկ դպրոցական լաբորատորիայում: Դուք պետք է համալրեք հին հակագազով, մի քանի կտոր պլեքսիգլասով, ցողունով և ջրային լուծույթէթիլային սպիրտ (ավելի պարզ՝ օղի), որը կծառայի որպես «վառելիք» վառելիքի մարտկոցի համար։

Նախևառաջ անհրաժեշտ է վառելիքի բջիջի համար նախատեսված պատյան, որը լավագույնս պատրաստված է պլեքսիգլասից՝ առնվազն հինգ միլիմետր հաստությամբ: Ներքին միջնորմները (ներսում հինգ խցիկ) կարելի է մի փոքր բարակ անել՝ 3 սմ։ Պլեքսիգլասը սոսնձելու համար օգտագործվում է հետևյալ կազմի սոսինձը՝ վեց գրամ պլեքսիգլասի չիպսերը լուծվում են հարյուր գրամ քլորոֆորմի կամ դիքլորէթանի մեջ (գործում են գլխարկի տակ։ ):

Արտաքին պատում այժմ անհրաժեշտ է անցք փորել, որի մեջ պետք է ռետինե խցանով 5-6 սանտիմետր տրամագծով ջրահեռացման ապակե խողովակ մտցնել:

Բոլորը գիտեն, որ ներքևի ձախ անկյունում գտնվող պարբերական համակարգում ամենաակտիվ մետաղներն են, իսկ բարձր ակտիվության մետաղները՝ վերին աջ անկյունում գտնվող աղյուսակում, այսինքն. էլեկտրոններ նվիրաբերելու ունակությունը մեծանում է վերևից ներքև և աջից ձախ: Սեղանի կենտրոնում են տարրերը, որոնք որոշակի պայմաններում կարող են դրսևորվել որպես մետաղներ կամ մետալոիդներ:

Այժմ մենք գազի դիմակից լցնում ենք երկրորդ և չորրորդ խցիկները Ակտիվացված ածխածին(առաջին բաժանման և երկրորդի, ինչպես նաև երրորդի և չորրորդի միջև), որը կգործի որպես էլեկտրոդներ: Որպեսզի ածուխը դուրս չթափվի անցքերի միջով, այն կարելի է տեղադրել նեյլոնե գործվածքի մեջ (կանացի նեյլոնե գուլպաները լավ կլինեն): AT

Վառելիքը կշրջանառվի առաջին խցիկում, հինգերորդում պետք է լինի թթվածնի մատակարար՝ օդ։ Էլեկտրոդների միջև կլինի էլեկտրոլիտ, և որպեսզի այն բաց չթողնի օդային խցիկ, անհրաժեշտ է այն թրջել բենզինի մեջ պարաֆինի լուծույթով (2 գրամ պարաֆին կես բաժակ բենզինի հարաբերակցությունը) չորրորդ խցիկը օդային էլեկտրոլիտի համար ածուխով լցնելուց առաջ: Ածուխի շերտի վրա պետք է դնել (թեթևակի սեղմելով) պղնձե թիթեղները, որոնց վրա լարերը զոդում են։ Դրանց միջոցով հոսանքը կշեղվի էլեկտրոդներից։

Մնում է միայն լիցքավորել տարրը: Դրա համար անհրաժեշտ է օղի, որը պետք է նոսրացնել ջրով 1:1: Այնուհետև զգուշորեն ավելացրեք երեք հարյուրից երեք հարյուր հիսուն գրամ կաուստիկ կալիում: Էլեկտրոլիտի համար 70 գրամ կաուստիկ կալիում լուծվում է 200 գրամ ջրի մեջ։

Վառելիքի բջիջը պատրաստ է փորձարկման:Այժմ դուք պետք է միաժամանակ վառելիք լցնել առաջին խցիկի մեջ, իսկ էլեկտրոլիտը՝ երրորդ: Էլեկտրոդներին կցված վոլտմետրը պետք է ցույց տա 07 վոլտից մինչև 0,9: Տարրի շարունակական շահագործումն ապահովելու համար անհրաժեշտ է ցամաքեցնել ծախսված վառելիքը (թափել բաժակի մեջ) և ավելացնել նոր վառելիք (ռետինե խողովակի միջոցով): Սնուցման արագությունը վերահսկվում է խողովակը սեղմելով: Այսպիսի տեսք ունի վառելիքի մարտկոցի աշխատանքը լաբորատոր պայմաններում, որի հզորությունը հասկանալիորեն փոքր է։

Տեսանյութ. Վառելիքի բջիջ կամ հավերժական մարտկոց տանը

Ուժն ավելի մեծացնելու համար գիտնականները երկար ժամանակ աշխատում էին այս խնդրի վրա։ Մեթանոլի և էթանոլի վառելիքի բջիջները տեղակայված են ակտիվ մշակման պողպատի վրա: Բայց, ցավոք, մինչ այժմ դրանք գործնականում կիրառելու միջոց չկա։

Ինչու է վառելիքի բջիջը ընտրվում որպես էներգիայի այլընտրանքային աղբյուր

Որպես էներգիայի այլընտրանքային աղբյուր ընտրվել է վառելիքի բջիջ, քանի որ դրանում ջրածնի այրման վերջնական արդյունքը ջուրն է։ Խնդիրը միայն ջրածնի արտադրության էժան և արդյունավետ միջոց գտնելն է: Ջրածնի գեներատորների և վառելիքի բջիջների զարգացման մեջ ներդրված հսկայական միջոցները չեն կարող արդյունք չտալ, հետևաբար. տեխնոլոգիական առաջընթացև դրանց իրական օգտագործումը առօրյա կյանքում՝ միայն ժամանակի հարց։

Արդեն այսօր ավտոմոբիլային արդյունաբերության հրեշները. General Motors-ը, Honda-ն, Dreimler Koisler-ը, Ballard-ը ցուցադրում են ավտոբուսներ և մեքենաներ, որոնք աշխատում են վառելիքի բջիջներով մինչև 50 կՎտ հզորությամբ: Սակայն դրանց անվտանգության, հուսալիության, արժեքի հետ կապված խնդիրները դեռ լուծված չեն: Ինչպես արդեն նշվեց, ի տարբերություն էներգիայի ավանդական աղբյուրների՝ մարտկոցների և մարտկոցների, այս դեպքում օքսիդիչը և վառելիքը մատակարարվում են դրսից, իսկ վառելիքի բջիջը միայն միջնորդ է շարունակական ռեակցիայի մեջ՝ վառելիքն այրելու և թողարկված էներգիան էլեկտրաէներգիայի վերածելու համար։ . «Այրումը» տեղի է ունենում միայն այն դեպքում, եթե տարրը հոսանք է հաղորդում բեռին, ինչպես դիզելային գեներատորը, բայց առանց գեներատորի և դիզելային վառելիքի, ինչպես նաև առանց աղմուկի, ծխի և գերտաքացման: Միևնույն ժամանակ, արդյունավետությունը շատ ավելի բարձր է, քանի որ չկան միջանկյալ մեխանիզմներ։

Տեսանյութ. Ջրածնային վառելիքի բջջային մեքենա

Մեծ հույսեր են կապում նանոտեխնոլոգիաների և նանոնյութերի օգտագործման վրա, որը կօգնի փոքրացնել վառելիքի բջիջները՝ միաժամանակ ավելացնելով դրանց հզորությունը։ Տեղեկություններ են եղել, որ ստեղծվել են գերարդյունավետ կատալիզատորներ, ինչպես նաև վառելիքի բջիջների նախագծումներ, որոնք չունեն թաղանթ: Դրանցում օքսիդիչի հետ միասին տարրին մատակարարվում է վառելիք (օրինակ՝ մեթան)։ Հետաքրքիր են լուծումները, որտեղ որպես օքսիդացնող նյութ օգտագործվում է ջրում լուծված թթվածինը, իսկ որպես վառելիք՝ աղտոտված ջրերում կուտակված օրգանական կեղտերը։ Սրանք այսպես կոչված կենսավառելիքի բջիջներն են:

Վառելիքի բջիջները, մասնագետների կարծիքով, կարող են զանգվածային շուկա մուտք գործել մոտակա տարիներին