Yoqilg'i xujayralari qanday ishlaydi. Yoqilg'i xujayralari nima

DA zamonaviy hayot Kimyoviy oqim manbalari bizning atrofimizda: bular chiroqlardagi batareyalar, mobil telefonlardagi batareyalar, ba'zi avtomobillarda allaqachon qo'llaniladigan vodorod yonilg'i xujayralari. Elektrokimyoviy texnologiyalarning jadal rivojlanishi yaqin kelajakda bizni benzinda ishlaydigan avtomobillar o'rniga faqat elektr transport vositalari o'rab olishiga, telefonlar tez zaryadsizlanishiga va har bir uyda o'z yonilg'i xujayrasi elektr quvvatiga ega bo'lishiga olib kelishi mumkin. generator. Ural Federal universitetining Rossiya Fanlar akademiyasining Ural filialining Yuqori haroratli elektrokimyo instituti bilan qo'shma dasturlaridan biri, biz ushbu maqolani nashr etamiz, elektrokimyoviy saqlash va energiya generatorlari samaradorligini oshirishga bag'ishlangan. .

Bugungi kunda juda ko'p turli xil turlari batareyalar, ular orasida harakat qilish tobora qiyinlashmoqda. Batareya superkondensatordan qanday farq qilishi va nima uchun vodorod yonilg'i xujayrasi atrof-muhitga zarar etkazishdan qo'rqmasdan foydalanish mumkinligi hamma uchun tushunarli emas. Ushbu maqolada biz elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun kimyoviy reaktsiyalar qanday qo'llanilishi, zamonaviy kimyoviy oqim manbalarining asosiy turlari o'rtasidagi farq nima va elektrokimyoviy energiya uchun qanday istiqbollar ochilgani haqida gapiramiz.

Kimyo elektr toki manbai sifatida

Birinchidan, keling, nima uchun kimyoviy energiya umuman elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkinligini ko'rib chiqaylik. Gap shundaki, oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalarida elektronlar ikki xil ion o'rtasida o'tkaziladi. Ikki yarmi bo'lsa kimyoviy reaksiya kosmosda shunday tarqalib, oksidlanish va qaytarilish bir-biridan alohida sodir bo'ladi, keyin bir iondan ajralib chiqqan elektron darhol ikkinchisiga tushmasligiga ishonch hosil qilish mumkin, lekin birinchi navbatda u uchun oldindan belgilangan yo'l bo'ylab o'tadi. Bu reaksiya elektr tokining manbai sifatida ishlatilishi mumkin.

Bu kontseptsiya birinchi marta 18-asrda italiyalik fiziolog Luidji Galvani tomonidan amalga oshirilgan. An'anaviy galvanik hujayraning ta'siri turli faollikdagi metallarning qaytarilish va oksidlanish reaktsiyalariga asoslanadi. Masalan, klassik hujayra - rux oksidlangan va mis qaytariladigan galvanik element. Qaytarilish va oksidlanish reaktsiyalari mos ravishda katod va anodda sodir bo'ladi. Va mis va sink ionlari bir-biri bilan to'g'ridan-to'g'ri reaksiyaga kirishishi mumkin bo'lgan "xorijiy hudud" ga tushmasligi uchun odatda anod va katod o'rtasida maxsus membrana joylashtiriladi. Natijada, elektrodlar o'rtasida potentsial farq paydo bo'ladi. Agar siz elektrodlarni, masalan, lampochka bilan ulasangiz, natijada paydo bo'lgan elektr pallasida oqim o'ta boshlaydi va lampochka yonadi.

Galvanik hujayraning diagrammasi

Wikimedia Commons

Anod va katod materiallaridan tashqari, kimyoviy oqim manbaining muhim tarkibiy qismi elektrolit bo'lib, uning ichida ionlar harakatlanadi va uning chegarasida barcha elektrokimyoviy reaktsiyalar elektrodlar bilan boradi. Bunday holda, elektrolitlar suyuq bo'lishi shart emas - u ham polimer, ham keramik material bo'lishi mumkin.

Galvanik elementning asosiy kamchiligi uning cheklangan ish vaqtidir. Reaktsiya oxirigacha borishi bilan (ya'ni, asta-sekin eriydigan anod butunlay iste'mol qilinadi), bunday element shunchaki ishlashni to'xtatadi.

Barmoq ishqoriy batareyalari

Zaryadlanuvchi

Kimyoviy oqim manbalarining imkoniyatlarini kengaytirish yo'lidagi birinchi qadam akkumulyator - qayta zaryadlanadigan va shuning uchun qayta ishlatilishi mumkin bo'lgan oqim manbaini yaratish edi. Buning uchun olimlar shunchaki qaytariladigan kimyoviy reaksiyalardan foydalanishni taklif qilishdi. Batareyani birinchi marta to'liq zaryadsizlangandan so'ng, tashqi oqim manbai yordamida unda sodir bo'lgan reaktsiya teskari yo'nalishda boshlanishi mumkin. Bu asl holatini tiklaydi, shunda batareya qayta zaryadlangandan keyin yana ishlatilishi mumkin.

Avtomobil qo'rg'oshin kislotali akkumulyatori

Bugungi kunga kelib, ularda sodir bo'ladigan kimyoviy reaksiya turi bilan farq qiluvchi ko'plab turli xil batareyalar yaratilgan. Eng keng tarqalgan turdagi akkumulyatorlar qo'rg'oshin kislotali (yoki oddiygina qo'rg'oshin) batareyalar bo'lib, ular qo'rg'oshinning oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasiga asoslangan. Bunday qurilmalar ancha uzoq xizmat qilish muddatiga ega va ularning energiya iste'moli kilogrammiga 60 vatt-soatgacha etadi. Bundan ham mashhurroq yaqin vaqtlar lityum-qaytarilish reaktsiyasiga asoslangan litiy-ionli batareyalar. Zamonaviy litiy-ion batareyalarning energiya sig'imi endi kilogramm uchun 250 vatt-soatdan oshadi.

Mobil telefon uchun Li-ion batareya

Lityum-ion batareyalarning asosiy muammolari past haroratlarda past samaradorlik, tez qarish va portlashning kuchayishi. Va lityum metall suv bilan juda faol reaksiyaga kirishib, vodorod gazini hosil qilishi va batareya yonayotganda kislorod ajralib chiqishi sababli, litiy-ion batareyasining o'z-o'zidan yonishi an'anaviy yong'in o'chirish usullari bilan foydalanish juda qiyin. Bunday akkumulyatorning xavfsizligini yaxshilash va uni zaryadlash vaqtini tezlashtirish uchun olimlar dendritik litiy tuzilmalarining shakllanishiga to'sqinlik qiluvchi katod materialini taklif qilmoqdalar va elektrolitlarga portlovchi tuzilmalarni hosil qiluvchi moddalar va dastlabki bosqichlarda yonib ketadigan komponentlar qo'shadilar. .

Qattiq elektrolit

Batareyalarning samaradorligi va xavfsizligini oshirishning yana bir unchalik aniq bo'lmagan usuli sifatida kimyogarlar kimyoviy oqim manbalarida suyuq elektrolitlar bilan cheklanib qolmaslikni, balki butunlay qattiq holatdagi oqim manbasini yaratishni taklif qilishdi. Bunday qurilmalarda suyuq komponentlar umuman yo'q, lekin ular orasida qattiq anod, qattiq katod va qattiq elektrolitning qatlamli tuzilishi mavjud. Elektrolitlar bir vaqtning o'zida membrana vazifasini bajaradi. Qattiq elektrolitlardagi zaryad tashuvchilar uning tarkibiga va anod va katodda sodir bo'ladigan reaktsiyalarga qarab turli xil ionlar bo'lishi mumkin. Ammo ular har doim etarlicha kichik ionlar bo'lib, ular kristall orqali nisbatan erkin harakatlana oladilar, masalan, H + protonlar, Li + litiy ionlari yoki O 2- kislorod ionlari.

Vodorod yonilg'i xujayralari

Zaryadlash qobiliyati va maxsus xavfsizlik choralari batareyalarni an'anaviy batareyalarga qaraganda ancha istiqbolli oqim manbaiga aylantiradi, ammo baribir har bir akkumulyatorning ichida cheklangan miqdordagi reagentlar mavjud va shuning uchun energiya cheklangan va har safar batareyani qayta zaryadlash kerak. faoliyatini davom ettirish uchun.

Batareyani "cheksiz" qilish uchun energiya manbai sifatida hujayra ichidagi moddalarni emas, balki u orqali maxsus pompalanadigan yoqilg'idan foydalanish mumkin. Eng muhimi, bunday yoqilg'i sifatida iloji boricha sodda, ekologik toza va Yerda ko'p miqdorda mavjud bo'lgan modda eng mos keladi.

Ushbu turdagi eng mos modda vodorod gazidir. Suv hosil qilish uchun havo kislorodi bilan oksidlanishi (2H 2 + O 2 → 2H 2 O reaktsiyasiga ko'ra) oddiy oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasi bo'lib, ionlar orasidagi elektron tashish ham tok manbai sifatida ishlatilishi mumkin. Bu holda sodir bo'ladigan reaktsiya suv elektrolizining reaktsiyasiga o'ziga xos teskari reaktsiyadir (bunda elektr toki ta'sirida suv kislorod va vodorodga parchalanadi) va birinchi marta bunday sxema taklif qilingan. 19-asrning oʻrtalari.

Ammo sxema juda oddiy ko'rinishiga qaramay, ushbu printsipga asoslangan samarali qurilma yaratish unchalik ahamiyatsiz ish emas. Buning uchun kosmosda kislorod va vodorod oqimlarini ajratish, elektrolitlar orqali zarur ionlarni tashishni ta'minlash va ishning barcha bosqichlarida mumkin bo'lgan energiya yo'qotishlarini kamaytirish kerak.

Vodorod yonilg'i xujayrasi ishlashining sxematik diagrammasi

Ishlaydigan vodorod yonilg'i xujayrasi sxemasi kimyoviy oqim manbai sxemasiga juda o'xshash, ammo yoqilg'i va oksidlovchi moddalarni etkazib berish va reaktsiya mahsulotlarini va ortiqcha gazlarni olib tashlash uchun qo'shimcha kanallarni o'z ichiga oladi. Bunday elementdagi elektrodlar gözenekli o'tkazuvchan katalizatorlardir. Anodga gazsimon yoqilg'i (vodorod), oksidlovchi vosita (havodan kislorod) esa katodga beriladi va har bir elektrodning elektrolitlar bilan chegarasida o'zining yarim reaksiyasi (oksidlanish) sodir bo'ladi. mos ravishda vodorod va kislorodning kamayishi). Bunday holda, yonilg'i xujayrasi turiga va elektrolitlar turiga qarab, suvning shakllanishi anod yoki katod bo'shlig'ida davom etishi mumkin.

Toyota vodorod yonilg'i xujayrasi

Jozef Brent / flickr

Agar elektrolit proton o'tkazuvchi polimer yoki keramik membrana, kislota yoki ishqor eritmasi bo'lsa, elektrolitda zaryad tashuvchisi vodorod ionlaridir. Bunday holda, molekulyar vodorod anodda vodorod ionlariga oksidlanadi, ular elektrolitdan o'tadi va u erda kislorod bilan reaksiyaga kirishadi. Agar qattiq oksid elektrolitidagi kabi kislorod ioni O 2- zaryad tashuvchisi bo'lsa, u holda kislorod katodda ionga qaytariladi, bu ion elektrolitdan o'tadi va anodda vodorodni oksidlaydi va suv hosil qiladi va erkin. elektronlar.

Yoqilg'i xujayralari uchun vodorod oksidlanish reaktsiyasidan tashqari, boshqa turdagi reaktsiyalardan foydalanish taklif qilindi. Masalan, vodorod o'rniga qaytaruvchi yoqilg'i kislorod bilan karbonat angidrid va suvga oksidlangan metanol bo'lishi mumkin.

Yoqilg'i xujayrasi samaradorligi

Vodorod yonilg'i xujayralarining barcha afzalliklariga qaramay (masalan, ekologik tozalik, deyarli cheksiz samaradorlik, ixcham o'lcham va yuqori energiya intensivligi), ular ham bir qator kamchiliklarga ega. Bularga, birinchi navbatda, tarkibiy qismlarning asta-sekin qarishi va vodorodni saqlashdagi qiyinchiliklar kiradi. Aynan mana shu kamchiliklarni qanday bartaraf etish borasida olimlar bugungi kunda ishlamoqda.

Hozirgi vaqtda elektrolitlar tarkibini, katalizator elektrodining xususiyatlarini va tizimning geometriyasini o'zgartirish orqali yonilg'i xujayralari samaradorligini oshirish taklif qilinmoqda (bu yoqilg'i gazlarini etkazib berishni ta'minlaydi. kerakli nuqta va nojo'ya ta'sirlarni kamaytiradi). Vodorod gazini saqlash muammosini hal qilish uchun platina o'z ichiga olgan materiallar, masalan, grafen membranalari bilan to'yinganligi uchun ishlatiladi.

Natijada, yonilg'i xujayrasining barqarorligini va uning alohida komponentlarining ishlash muddatini oshirishga erishish mumkin. Endi bunday hujayralardagi kimyoviy energiyani elektr energiyasiga aylantirish koeffitsienti 80 foizga etadi va ma'lum sharoitlarda u yanada yuqori bo'lishi mumkin.

Vodorod energiyasining katta istiqbollari yonilg'i xujayralarini butun batareyalarga birlashtirish, ularni yuqori quvvatga ega elektr generatorlariga aylantirish imkoniyati bilan bog'liq. Hozir ham vodorod yonilg'i xujayralarida ishlaydigan elektr generatorlari bir necha yuz kilovattgacha quvvatga ega va transport vositalari uchun quvvat manbai sifatida ishlatiladi.

Muqobil elektrokimyoviy saqlash

Klassik elektrokimyoviy oqim manbalaridan tashqari, energiya saqlash qurilmalari sifatida ko'proq noodatiy tizimlar ham qo'llaniladi. Ushbu tizimlardan biri superkondensator (yoki ionistor) - zaryadlangan sirt yaqinida qo'sh qatlam hosil bo'lishi sababli zaryadning ajralishi va to'planishi sodir bo'ladigan qurilma. Bunday qurilmadagi elektrod-elektrolit interfeysida turli belgilardagi ionlar ikki qatlamda to'planib, "ikki qavatli elektr qatlam" deb ataladigan bo'lib, o'ziga xos juda nozik kondansatör hosil qiladi. Bunday kondensatorning sig'imi, ya'ni to'plangan zaryad miqdori elektrod materialining o'ziga xos sirt maydoni bilan belgilanadi, shuning uchun material sifatida maksimal o'ziga xos sirt maydoni bo'lgan gözenekli materiallarni olish foydalidir. superkondensatorlar.

Ionistorlar zaryad tezligi bo'yicha zaryadsizlanish kimyoviy oqim manbalari orasida chempion bo'lib, bu turdagi qurilmalarning shubhasiz afzalligi hisoblanadi. Afsuski, ular tushirish tezligi bo'yicha ham rekordchilardir. Ionistorlarning energiya zichligi qo'rg'oshinli batareyalarga nisbatan sakkiz baravar va litiy-ionlilarga qaraganda 25 baravar kam. Klassik "ikki qatlamli" ionistorlar o'zlarining yadrolarida elektrokimyoviy reaktsiyadan foydalanmaydi va "kondensator" atamasi ularga eng to'g'ri qo'llaniladi. Biroq, elektrokimyoviy reaktsiyaga asoslangan va zaryad to'planishi elektrodning chuqurligiga cho'zilgan ionistorlarning versiyalarida tez zaryad tezligini saqlab, yuqori zaryadsizlanish vaqtlariga erishish mumkin. Superkondensatorlarni ishlab chiquvchilarning sa'y-harakatlari superkondensatorlarning afzalliklarini, birinchi navbatda, yuqori zaryad tezligini va batareyalarning afzalliklarini - yuqori energiya zichligi va uzoq vaqt zaryadsizlanishini birlashtirgan akkumulyatorli gibrid qurilmalarni yaratishga qaratilgan. Yaqin kelajakda bir necha daqiqada quvvatlanadigan va noutbuk yoki smartfonni bir kun yoki undan ko'proq quvvatlantiradigan ionistor batareyasini tasavvur qiling!

Hozirgi vaqtda superkondensatorlarning energiya zichligi batareyalarning energiya zichligidan bir necha baravar kam bo'lishiga qaramay, ular maishiy elektronika va turli xil transport vositalarining dvigatellari uchun, shu jumladan eng ko'p ishlatiladi.

* * *

Shunday qilib, bugungi kunda mavjud ko'p miqdorda elektrokimyoviy qurilmalar, ularning har biri o'ziga xos ilovalar uchun istiqbolli. Ushbu qurilmalarning samaradorligini oshirish uchun olimlar bir qator fundamental va texnologik muammolarni hal qilishlari kerak. Ilg'or loyihalardan biri doirasidagi ushbu vazifalarning aksariyati Ural federal universitetida hal qilinmoqda, shuning uchun biz Rossiya Fanlar akademiyasining Ural filiali Yuqori haroratli elektrokimyo instituti direktori, professor Maksim Ananievga murojaat qildik. Ural Federal universiteti Kimyoviy texnologiya institutining Elektrokimyoviy ishlab chiqarish texnologiyasi kafedrasi, zamonaviy yonilg'i xujayralarini rivojlantirishning yaqin rejalari va istiqbollari haqida gapirish. .

N+1: Yaqin kelajakda eng mashhur Li-Ion batareyalariga alternativa bormi?

Maksim Ananiev: Batareyani ishlab chiquvchilarning zamonaviy sa'y-harakatlari elektrolitlardagi zaryad tashuvchining turini lityumdan natriyga, kaliyga va alyuminiyga almashtirishga qaratilgan. Lityumni almashtirish natijasida og'irlik va o'lcham xususiyatlari mutanosib ravishda oshib borishiga qaramay, batareyaning narxini pasaytirish mumkin bo'ladi. Boshqacha qilib aytganda, bir xil elektr xususiyatlari uchun natriy-ion batareyasi lityum-ion batareyadan kattaroq va og'irroq bo'ladi.

Bundan tashqari, akkumulyatorlarni takomillashtirishning istiqbolli rivojlanayotgan yo'nalishlaridan biri yonilg'i xujayralarida bo'lgani kabi, metall-ionli batareyalarni havo elektrodi bilan birlashtirishga asoslangan gibrid kimyoviy energiya manbalarini yaratishdir. Umuman olganda, gibrid tizimlarni yaratish yo'nalishi, allaqachon superkondensatorlar misolida ko'rsatilgandek, yaqin kelajakda bozorda yuqori iste'mol xususiyatlariga ega kimyoviy energiya manbalarini ko'rishga imkon beradi.

Ural Federal universiteti Rossiya va dunyoning akademik va sanoat hamkorlari bilan birgalikda ilmiy tadqiqotlarning ilg'or yo'nalishlariga qaratilgan oltita megaloyihani amalga oshirmoqda. Ana shunday loyihalardan biri “Elektrokimyoviy energetika muhandisligining istiqbolli texnologiyalari yangi materiallarni kimyoviy loyihalashdan tortib energiyani tejash va konversiyalash uchun yangi avlod elektrokimyoviy qurilmalarigacha”dir.

Maksim Ananievni o'z ichiga olgan UrFU Tabiiy fanlar va matematika maktabining Strategik Akademik Birligi (SAU) bir guruh olimlari yangi materiallar va texnologiyalarni, jumladan yonilg'i xujayralari, elektrolitik xujayralar, metall grafen batareyalari, elektrokimyoviy texnologiyalarni loyihalash va ishlab chiqish bilan shug'ullanadilar. quvvatni saqlash tizimlari va superkondensatorlar.

Ilmiy-tadqiqot va ilmiy ishlar Rossiya Fanlar akademiyasining Ural filiali Yuqori haroratli elektrokimyo instituti bilan doimiy hamkorlikda hamda hamkorlar ko‘magida olib borilmoqda.

Hozirgi vaqtda qaysi yonilg'i xujayralari ishlab chiqilmoqda va eng katta imkoniyatlarga ega?

Yoqilg'i xujayralarining eng istiqbolli turlaridan biri proton-keramika xujayralari hisoblanadi. Ular proton almashinadigan membrana va qattiq oksidli xujayralar bo'lgan polimer yonilg'i xujayralari oldida afzalliklarga ega, chunki ular to'g'ridan-to'g'ri uglevodorod yoqilg'isi bilan ishlay oladi. Bu proton-keramika yonilg'i xujayralari va boshqaruv tizimiga asoslangan elektr stantsiyasining dizaynini sezilarli darajada soddalashtiradi va shuning uchun ishlashning ishonchliligini oshiradi. To'g'ri, hozirgi vaqtda bu turdagi yoqilg'i xujayralari tarixan kam rivojlangan, ammo zamonaviy ilmiy tadqiqotlar kelajakda ushbu texnologiyaning yuqori salohiyatiga umid qilish imkonini beradi.

Ural Federal universitetida yoqilg'i xujayralari bilan bog'liq qanday muammolar hozirda hal qilinmoqda?

Hozirda UrFU olimlari Rossiya Fanlar akademiyasining Ural boʻlimining Yuqori haroratli elektrokimyo instituti (IHTE) bilan birgalikda taqsimlangan energiyada qoʻllash uchun yuqori samarali elektrokimyoviy qurilmalar va avtonom energiya generatorlarini yaratish ustida ishlamoqda. Tarqalgan energiya uchun elektr stantsiyalarini yaratish dastlab elektr energiyasi generatori va batareyalar bo'lgan saqlash moslamasi asosidagi gibrid tizimlarni ishlab chiqishni nazarda tutadi. Shu bilan birga, yonilg'i xujayrasi doimiy ravishda ishlaydi, eng yuqori soatlarda yukni ta'minlaydi va bo'sh rejimda batareyani zaryad qiladi, uning o'zi ham yuqori quvvat sarflanganda, ham favqulodda vaziyatlarda zaxira sifatida harakat qilishi mumkin.

Ural Federal universiteti va IHTE kimyogarlari qattiq oksidli va proton-keramik yonilg'i xujayralarini ishlab chiqishda eng katta muvaffaqiyatga erishdilar. 2016 yildan beri Uralsda "Rosatom" davlat korporatsiyasi bilan birgalikda qattiq oksidli yonilg'i xujayralariga asoslangan birinchi rus elektr stantsiyalari ishlab chiqarildi. Ural olimlarining ishlanmalari allaqachon "Uraltransgaz" MChJ eksperimental uchastkasidagi gaz quvurlarini katodli himoya qilish stantsiyasida "dala" sinovlaridan o'tdi. Nominal quvvati 1,5 kilovatt bo'lgan elektr stantsiyasi 10 ming soatdan ortiq ishladi va bunday qurilmalardan foydalanishning yuqori salohiyatini ko'rsatdi.

Ural Federal universiteti va IHTE qo‘shma laboratoriyasi doirasida proton o‘tkazuvchi keramik membrana asosidagi elektrokimyoviy qurilmalar ishlab chiqilmoqda. Bu yaqin kelajakda qattiq oksidli yonilg'i xujayralarining ish haroratini 900 dan 500 gradusgacha kamaytirishga va uglevodorod yoqilg'isini dastlabki isloh qilishdan voz kechishga imkon beradi, shu bilan birga iqtisodiy jihatdan samarali elektrokimyoviy generatorlarni yaratishga imkon beradi. Rossiyada rivojlangan gaz ta'minoti infratuzilmasi.

Aleksandr Dubov

Mobil elektronika har yili, agar bir oy bo'lmasa, yanada qulayroq va keng tarqalgan bo'lib bormoqda. Bu yerda sizda noutbuklar, PDA-lar, raqamli kameralar va mobil telefonlar va juda ko'p foydali va unchalik katta bo'lmagan qurilmalar mavjud. Va bu qurilmalarning barchasi doimiy ravishda yangi xususiyatlar, kuchliroq protsessorlar, kattaroq rangli ekranlar, simsiz ulanishga ega bo'lib, ayni paytda hajmini kichraytirmoqda. Biroq, yarimo'tkazgichli texnologiyalardan farqli o'laroq, ushbu mobil qurilmaning quvvat texnologiyalari hech qanday sakrash va chegaralar emas.

An'anaviy akkumulyatorlar va batareyalar elektronika sanoatidagi so'nggi yutuqlarni har qanday muhim vaqt davomida quvvatlantirish uchun etarli emas. Va ishonchli va sig'imli batareyalarsiz, mobillik va simsizlikning butun nuqtasi yo'qoladi. Shunday qilib, kompyuter sanoati muammo ustida ko'proq va faolroq ishlamoqda muqobil quvvat manbalari. Va bugungi kunga qadar eng istiqbolli yo'nalish bu erda yonilg'i xujayralari.

Yoqilg'i xujayralarining asosiy printsipi 1839 yilda ingliz olimi ser Uilyam Grove tomonidan kashf etilgan. U "yoqilg'i kamerasi" ning otasi sifatida tanilgan. Uilyam Grove vodorod va kislorodni ajratib olish orqali elektr energiyasi ishlab chiqardi. Batareyani elektrolitik xujayradan uzib qo'ygan Grove, elektrodlar chiqarilgan gazni o'zlashtira boshlaganini va oqim hosil qila boshlaganini ko'rib hayron bo'ldi. Jarayonni ochish vodorodning elektrokimyoviy "sovuq" yonishi aylandi muhim voqea energetika sohasida va kelajakda Ostvald va Nernst kabi taniqli elektrokimyogarlar yonilg'i xujayralarining nazariy asoslarini ishlab chiqish va amaliy tatbiq etishda katta rol o'ynagan va ular uchun buyuk kelajakni bashorat qilgan.

O'zim "yoqilg'i xujayrasi" atamasi (yoqilg'i xujayrasi) keyinchalik paydo bo'lgan - 1889 yilda havo va ko'mir gazidan elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun qurilma yaratishga harakat qilayotgan Lyudvig Mond va Charlz Langer tomonidan taklif qilingan.

Kislorodda normal yonish jarayonida organik yoqilg'i oksidlanadi va yoqilg'ining kimyoviy energiyasi samarasiz ravishda issiqlik energiyasiga aylanadi. Ammo oksidlanish reaktsiyasini, masalan, kislorod bilan vodorodni elektrolitlar muhitida o'tkazish va elektrodlar ishtirokida elektr tokini olish mumkin bo'ldi. Masalan, ishqoriy muhitda elektrodga vodorod berish orqali biz elektronlarni olamiz:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

tashqi kontaktlarning zanglashiga olib o'tib, kislorod kiradigan va reaksiya sodir bo'ladigan qarama-qarshi elektrodga kiradi: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Ko'rinib turibdiki, hosil bo'lgan 2H2 + O2 → H2O reaktsiyasi an'anaviy yonish bilan bir xil, ammo yonilg'i xujayrasida yoki boshqacha tarzda - ichida elektrokimyoviy generator, katta samaradorlik va qisman issiqlik bilan elektr toki olinadi. E'tibor bering, ko'mir, uglerod oksidi, spirtlar, gidrazin va boshqa organik moddalar yoqilg'i xujayralarida yoqilg'i sifatida ishlatilishi mumkin, havo, vodorod periks, xlor, brom, Azot kislotasi va hokazo.

Yoqilg'i xujayralarining rivojlanishi ham chet elda, ham Rossiyada, keyin esa SSSRda jadal davom etdi. Yoqilg'i xujayralarini o'rganishga katta hissa qo'shgan olimlardan V. Jako, P. Yablochkov, F. Bekon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesni qayd etamiz. O'tgan asrning o'rtalarida yonilg'i xujayralari muammolariga yangi hujum boshlandi. Bu qisman mudofaa tadqiqotlari natijasida yangi g'oyalar, materiallar va texnologiyalarning paydo bo'lishi bilan bog'liq.

Yoqilg'i xujayralari rivojlanishida katta qadam qo'ygan olimlardan biri P. M. Spiridonov edi. Spiridonovning vodorod-kislorod elementlari 30 mA/sm2 oqim zichligini berdi, bu o'sha vaqt uchun katta yutuq hisoblangan. 1940-yillarda O. Davtyan ko'mirni gazlashtirish yo'li bilan olingan generator gazini elektrokimyoviy yoqish uchun qurilma yaratdi. Element hajmining har bir kubometridan Davtyan 5 kVt quvvat oldi.

Bu edi birinchi qattiq elektrolit yonilg'i xujayrasi. U yuqori samaradorlikka ega edi, ammo vaqt o'tishi bilan elektrolitlar yaroqsiz bo'lib qoldi va uni o'zgartirish kerak edi. Keyinchalik, elliginchi yillarning oxirida Davtyan traktorni harakatga keltiradigan kuchli o'rnatishni yaratdi. Xuddi shu yillarda ingliz muhandisi T.Bekon umumiy quvvati 6 kVt va samaradorligi 80% bo'lgan, sof vodorod va kislorodda ishlaydigan yonilg'i xujayrasi batareyasini loyihalashtirdi va qurdi, lekin batareyaning quvvat va og'irlik nisbati. juda kichik bo'lib chiqdi - bunday hujayralar amaliy foydalanish uchun yaroqsiz va juda qimmat edi.

Keyingi yillarda bo'ydoqlar davri o'tdi. Kosmik kemalarni yaratuvchilar yonilg'i xujayralari bilan qiziqib qolishdi. 1960-yillarning oʻrtalaridan boshlab yonilgʻi xujayralari tadqiqotiga millionlab dollar sarmoya kiritildi. Minglab olimlar va muhandislarning mehnati yangi bosqichga ko'tarilish imkonini berdi va 1965 yilda. Yoqilg'i xujayralari AQShda Gemini 5 kosmik kemasida, keyinroq esa Oyga parvozlar va Shuttle dasturi bo'yicha Apollon kosmik kemasida sinovdan o'tkazildi.

SSSRda yoqilg'i xujayralari NPO Kvantda kosmosda foydalanish uchun ishlab chiqilgan. O'sha yillarda yangi materiallar allaqachon paydo bo'lgan - ion almashinadigan membranalarga asoslangan qattiq polimer elektrolitlar, katalizatorlarning yangi turlari, elektrodlar. Va shunga qaramay, ish oqimining zichligi kichik edi - 100-200 mA / sm2 ichida va elektrodlardagi platina miqdori bir necha g / sm2 edi. Chidamlilik, barqarorlik, xavfsizlik bilan bog'liq ko'plab muammolar mavjud edi.

Yoqilg'i xujayralarining jadal rivojlanishining keyingi bosqichi 1990-yillarda boshlangan. o'tgan asr va hozirgi kungacha davom etmoqda. Bu, bir tomondan, global miqyosda yangi samarali energiya manbalariga bo'lgan ehtiyoj bilan bog'liq ekologik muammo qazib olinadigan yoqilg'ilarning yonishi natijasida issiqxona gazlari emissiyasini oshirish va boshqa tomondan, bunday yoqilg'ilarning tugashi bilan. Yoqilg'i xujayrasidagi vodorod yonishining yakuniy mahsuloti suv bo'lgani uchun ular atrof-muhitga ta'sir qilish nuqtai nazaridan eng toza hisoblanadi. Asosiy muammo faqat vodorod ishlab chiqarishning samarali va arzon usulini topishdir.

Yoqilg'i xujayralari va vodorod generatorlarini rivojlantirishga milliardlab dollarlik moliyaviy investitsiyalar texnologik yutuqga olib kelishi va ulardan kundalik hayotda foydalanishni haqiqatga aylantirishi kerak: uyali telefonlar uchun kameralarda, avtomobillarda, elektr stantsiyalarida. Hozirda "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" kabi avtomobil gigantlari 50 kVt quvvatga ega yonilg'i xujayralari bilan ishlaydigan yengil avtomobillar va avtobuslarni namoyish etmoqda. Bir qator kompaniyalar rivojlangan quvvati 500 kVt gacha bo'lgan qattiq oksidli elektrolitli yonilg'i xujayralaridagi namoyish elektr stantsiyalari. Biroq, yonilg'i xujayralarining ish faoliyatini yaxshilashda sezilarli yutuq bo'lishiga qaramay, ularning narxi, ishonchliligi va xavfsizligi bilan bog'liq hal qilinishi kerak bo'lgan ko'plab muammolar mavjud.

Yoqilg'i xujayrasida, batareyalar va akkumulyatorlardan farqli o'laroq, yoqilg'i ham, oksidlovchi ham unga tashqaridan oziqlanadi. Yoqilg'i xujayrasi reaktsiyada faqat vositachi bo'lib, ideal sharoitlarda deyarli abadiy davom etishi mumkin. Ushbu texnologiyaning go'zalligi shundaki, aslida yoqilg'i elementda yoqiladi va chiqarilgan energiya to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylanadi. Yoqilg'ining to'g'ridan-to'g'ri yonishi paytida u kislorod bilan oksidlanadi va bu holda chiqarilgan issiqlik foydali ishlarni bajarish uchun ishlatiladi.

Yoqilg'i xujayrasida, batareyalarda bo'lgani kabi, yoqilg'ining oksidlanishi va kislorodning kamayishi reaktsiyalari fazoviy ravishda ajratiladi va "yonish" jarayoni faqat hujayra yukni oqim bilan ta'minlasa sodir bo'ladi. Xuddi shunday dizel elektr generatori, faqat dizel va generatorsiz. Va shuningdek, tutun, shovqin, qizib ketishsiz va ancha yuqori samaradorlik bilan. Ikkinchisi, birinchidan, oraliq mexanik qurilmalar mavjud emasligi va ikkinchidan, yonilg'i xujayrasi issiqlik dvigateli emasligi va buning natijasida Karno qonuniga bo'ysunmasligi bilan izohlanadi (ya'ni, uning samaradorligi bilan aniqlanmaydi. harorat farqi).

Kislorod yoqilg'i xujayralarida oksidlovchi vosita sifatida ishlatiladi. Bundan tashqari, havoda kislorod etarli bo'lganligi sababli, oksidlovchi vositani etkazib berish haqida tashvishlanishning hojati yo'q. Yoqilg'iga kelsak, u vodorod. Shunday qilib, yonilg'i xujayrasida reaktsiya davom etadi:

2H2 + O2 → 2H2O + elektr + issiqlik.

Natijada foydali energiya va suv bug'lari hosil bo'ladi. Qurilmadagi eng oddiy proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayrasi(1-rasmga qarang). U quyidagicha ishlaydi: hujayra ichiga kiradigan vodorod katalizator ta'sirida elektronlar va musbat zaryadlangan vodorod ionlari H + ga parchalanadi. Keyin maxsus membrana ishga tushadi, bu erda an'anaviy akkumulyatorda elektrolit rolini o'ynaydi. Kimyoviy tarkibi tufayli u protonlarni o'zidan o'tkazadi, lekin elektronlarni saqlaydi. Shunday qilib, anodda to'plangan elektronlar ortiqcha manfiy zaryad hosil qiladi va vodorod ionlari katodda musbat zaryad hosil qiladi (elementdagi kuchlanish taxminan 1V).

Yuqori quvvatni yaratish uchun yonilg'i xujayrasi ko'plab hujayralardan yig'iladi. Agar siz yukdagi elementni yoqsangiz, u holda elektronlar u orqali katodga oqib, oqim hosil qiladi va kislorod bilan vodorod oksidlanish jarayonini yakunlaydi. Bunday yonilg'i xujayralarida katalizator sifatida, qoida tariqasida, uglerod tolasiga yotqizilgan platina mikrozarralari ishlatiladi. Uning tuzilishi tufayli bunday katalizator gaz va elektr energiyasini yaxshi o'tkazadi. Membran odatda oltingugurt o'z ichiga olgan polimer Nafiondan tayyorlanadi. Membrananing qalinligi millimetrning o'ndan bir qismidir. Reaktsiya paytida, albatta, issiqlik ham chiqariladi, lekin u juda ko'p emas, shuning uchun ish harorati 40-80 ° S mintaqasida saqlanadi.

1-rasm. Yoqilg'i xujayrasining ishlash printsipi

Yoqilg'i xujayralarining boshqa turlari mavjud, asosan ishlatiladigan elektrolitlar turiga qarab farqlanadi. Ularning deyarli barchasi yoqilg'i sifatida vodorodni talab qiladi, shuning uchun mantiqiy savol tug'iladi: uni qaerdan olish kerak. Albatta, silindrlardan siqilgan vodoroddan foydalanish mumkin edi, lekin darhol yuqori bosim ostida bu juda tez yonuvchi gazni tashish va saqlash bilan bog'liq muammolar mavjud. Albatta, siz vodorodni metall gidridli akkumulyatorlarda bo'lgani kabi bog'langan shaklda ishlatishingiz mumkin. Ammo baribir, uni qazib olish va tashish vazifasi qolmoqda, chunki vodorod quyish shoxobchalari uchun infratuzilma mavjud emas.

Biroq, bu erda ham yechim bor - suyuq uglevodorod yoqilg'isi vodorod manbai sifatida ishlatilishi mumkin. Masalan, etil yoki metil spirti. To'g'ri, bu erda allaqachon maxsus qo'shimcha qurilma talab qilinadi - yuqori haroratda (metanol uchun u 240 ° C atrofida bo'ladi) spirtli ichimliklarni gazsimon H2 va CO2 aralashmasiga aylantiradigan yonilg'i konvertori. Ammo bu holda portativlik haqida o'ylash allaqachon qiyinroq - bunday qurilmalar statsionar yoki statsionar sifatida foydalanish uchun yaxshi, lekin ixcham mobil uskunalar uchun sizga kamroq hajmli narsa kerak.

Va biz deyarli barcha eng yirik elektronika ishlab chiqaruvchilari tomonidan dahshatli kuch bilan ishlab chiqilayotgan qurilmaga keldik - metanol yoqilg'i xujayrasi(2-rasm).

2-rasm. Yoqilg'i xujayrasi metanolda ishlash printsipi

Vodorod va metanol yonilg'i xujayralari o'rtasidagi asosiy farq ishlatiladigan katalizatordir. Metanol yonilg'i xujayrasidagi katalizator protonlarni to'g'ridan-to'g'ri spirt molekulasidan ajratib olish imkonini beradi. Shunday qilib, yoqilg'i bilan bog'liq muammo hal qilindi - metil spirti kimyo sanoati uchun ommaviy ishlab chiqariladi, uni saqlash va tashish oson va metanol yonilg'i xujayrasini zaryad qilish uchun shunchaki yonilg'i kartridjini almashtirish kifoya. To'g'ri, bitta muhim minus bor - metanol zaharli. Bundan tashqari, metanol yonilg'i xujayrasi samaradorligi vodorod yonilg'i xujayrasidan ancha past.

Guruch. 3. Metanol yonilg'i xujayrasi

Eng jozibali variant - etil spirtini yoqilg'i sifatida ishlatish, chunki har qanday tarkib va ​​quvvatdagi alkogolli ichimliklar ishlab chiqarish va tarqatish butun dunyoda yaxshi yo'lga qo'yilgan. globus. Biroq, etanol yonilg'i xujayralarining samaradorligi, afsuski, metanol yonilg'i xujayralaridan ham pastroq.

Yoqilg'i xujayralarining ko'p yillik rivojlanishi davomida ta'kidlanganidek, har xil turdagi yoqilg'i xujayralari qurilgan. Yoqilg'i xujayralari elektrolitlar va yoqilg'i turi bo'yicha tasniflanadi.

1. Qattiq polimer vodorod-kislorod elektrolit.

2. Qattiq polimer metanol yonilg'i xujayralari.

3. Ishqoriy elektrolit ustidagi elementlar.

4. Fosfor kislotasi yonilg'i xujayralari.

5. Eritilgan karbonatlar ustidagi yoqilg'i xujayralari.

6. Qattiq oksidli yonilg'i xujayralari.

Ideal holda, yonilg'i xujayralarining samaradorligi juda yuqori, ammo real sharoitlarda muvozanat bo'lmagan jarayonlar bilan bog'liq yo'qotishlar mavjud, masalan: elektrolitlar va elektrodlarning o'ziga xos o'tkazuvchanligi tufayli ohmik yo'qotishlar, faollashuv va kontsentratsiyaning polarizatsiyasi, diffuziya yo'qotishlari. Natijada, yoqilg'i xujayralarida hosil bo'lgan energiyaning bir qismi issiqlikka aylanadi. Mutaxassislarning sa'y-harakatlari ushbu yo'qotishlarni kamaytirishga qaratilgan.

Ohmik yo'qotishlarning asosiy manbai, shuningdek, yonilg'i xujayralarining yuqori narxining sababi perftorli sulfokatsion ion almashinadigan membranalardir. Endi muqobil, arzonroq proton o'tkazuvchi polimerlarni qidirish ishlari olib borilmoqda. Ushbu membranalarning o'tkazuvchanligi (qattiq elektrolitlar) faqat suv mavjud bo'lganda maqbul qiymatga (10 Ō / sm) erishganligi sababli, yonilg'i xujayrasiga etkazib beriladigan gazlarni maxsus qurilmada qo'shimcha ravishda namlash kerak, bu ham materialning narxini oshiradi. tizimi. Katalitik gaz diffuziya elektrodlarida, asosan, platina va boshqa ba'zi olijanob metallar ishlatiladi va hozirgacha ularning o'rnini bosadigan joy topilmadi. Yoqilg'i xujayralarida platina miqdori bir necha mg / sm2 bo'lsa-da, katta batareyalar uchun uning miqdori o'nlab grammga etadi.

Yoqilg'i xujayralarini loyihalashda issiqlikni yo'qotish tizimiga katta e'tibor beriladi, chunki yuqori oqim zichligida (1 A / sm2 gacha) tizim o'zini o'zi isitadi. Sovutish uchun yonilg'i xujayrasida maxsus kanallar orqali aylanadigan suv ishlatiladi va past quvvatda havo puflanadi.

Shunday qilib, elektrokimyoviy generatorning zamonaviy tizimi, yonilg'i xujayrasi batareyasining o'ziga qo'shimcha ravishda, ko'plab yordamchi qurilmalar bilan "to'lib ketgan", masalan: nasoslar, havo etkazib beradigan kompressor, vodorod, gaz namlagichi, sovutish moslamasi, gaz sızıntısını nazorat qilish tizimi, doimiy to-AC konvertor, nazorat protsessor va boshqalar.Bularning barchasi 2004-2005 yillarda yoqilg'i elementi tizimining narxi 2-3 ming $/kVt bo'lishiga olib keladi. Mutaxassislarning fikriga ko'ra, yonilg'i xujayralari transportda va statsionar elektr stansiyalarida 50-100 dollar/kVt narxda foydalanish mumkin bo'ladi.

Yoqilg'i xujayralarini kundalik hayotga arzonroq komponentlar bilan bir qatorda kiritish uchun yangi original g'oyalar va yondashuvlarni kutish kerak. Xususan, katta umidlar nanomateriallar va nanotexnologiyalardan foydalanish bilan bog'liq. Misol uchun, yaqinda bir nechta kompaniyalar turli metallardan nanozarrachalar klasterlari asosida kislorod elektrodi uchun o'ta samarali katalizatorlar yaratilishini e'lon qildi. Bundan tashqari, membrana bo'lmagan yonilg'i xujayralarining konstruktsiyalari haqida xabarlar mavjud bo'lib, unda suyuq yoqilg'i (masalan, metanol) yonilg'i xujayrasiga oksidlovchi bilan birga oziqlanadi. Shuningdek, ifloslangan suvlarda ishlaydigan va erigan havo kislorodini oksidlovchi sifatida iste'mol qiladigan bioyoqilg'i hujayralarining ishlab chiqilgan kontseptsiyasi ham qiziqish uyg'otadi. organik aralashmalar yoqilg'i sifatida.

Mutaxassislar yaqin yillarda yonilg'i xujayralari ommaviy bozorga kirishini taxmin qilmoqdalar. Darhaqiqat, ishlab chiquvchilar birin-ketin texnik muammolarni bartaraf etishadi, muvaffaqiyatlar haqida hisobot berishadi va yonilg'i xujayrasi prototiplarini taqdim etishadi. Misol uchun, Toshiba tayyor metanol yonilg'i xujayrasi prototipini namoyish etdi. Uning o'lchami 22x56x4,5 mm va taxminan 100 mVt quvvat beradi. 2 kub konsentrlangan (99,5%) metanolni bir marta to'ldirish MP3 pleerning 20 soat ishlashi uchun etarli. Toshiba mobil telefonlarni quvvatlantirish uchun tijorat yonilg'i xujayrasi chiqardi. Shunga qaramay, xuddi shu Toshiba 275x75x40 mm o'lchamdagi noutbukning quvvat manbai elementini namoyish etdi, bu esa kompyuterning bir zaryaddan 5 soat ishlashiga imkon beradi.

Toshiba va boshqa yapon kompaniyasi - Fujitsu dan uzoq emas. 2004 yilda u 30% suvli metanol eritmasida ishlaydigan elementni ham taqdim etdi. Ushbu yonilg'i xujayrasi bitta 300 ml to'ldirishda 10 soat davomida ishladi va ayni paytda 15 vatt quvvat ishlab chiqardi.

Casio yonilg'i xujayrasini ishlab chiqmoqda, unda metanol dastlab miniatyura yonilg'i konvertorida H2 va CO2 gazlari aralashmasiga qayta ishlanadi va keyin yonilg'i xujayrasiga yuboriladi. Namoyish paytida Casio prototipi noutbukni 20 soat davomida quvvatlantirdi.

Samsung yonilg'i xujayralari sohasida ham nom qozondi - 2004 yilda u noutbukni quvvatlantirish uchun mo'ljallangan 12 Vt prototipini namoyish etdi. Umuman olganda, Samsung yonilg'i xujayralari, birinchi navbatda, to'rtinchi avlod smartfonlarida foydalanish niyatida.

Aytishim kerakki, yapon kompaniyalari odatda yonilg'i xujayralarini ishlab chiqishga juda ehtiyotkorlik bilan yondashdilar. 2003 yilda Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony va Toshiba kabi kompaniyalar noutbuklar, mobil telefonlar, PDA va boshqa elektron qurilmalar uchun umumiy yoqilg'i xujayrasi standartini ishlab chiqish uchun birlashdilar. Ushbu bozorda ko'p bo'lgan Amerika kompaniyalari asosan harbiylar bilan shartnomalar asosida ishlaydi va amerikalik askarlarni elektrlashtirish uchun yonilg'i xujayralari ishlab chiqaradi.

Nemislar ham ortda qolmadi - Smart Fuel Cell kompaniyasi mobil ofisni quvvatlantirish uchun yonilg'i xujayralari sotadi. Qurilma Smart Fuel Cell C25 deb nomlanadi, o‘lchamlari 150x112x65 mm va bir quvvatlanishda 140 vatt/soatgacha quvvat ishlab chiqarishi mumkin. Bu noutbukni taxminan 7 soat quvvatlantirish uchun etarli. Keyin kartrijni almashtirish mumkin va siz ishlashni davom ettirishingiz mumkin. Metanol kartridjining o'lchami 99x63x27 mm va og'irligi 150 g. Tizimning o'zi 1,1 kg og'irlikda, shuning uchun uni to'liq portativ deb atash mumkin emas, lekin baribir u butunlay tugallangan va qulay qurilma. Kompaniya shuningdek, professional videokameralarni quvvatlantirish uchun yoqilg‘i modulini ishlab chiqmoqda.

Umuman olganda, yonilg'i xujayralari deyarli mobil elektronika bozoriga kirdi. Ishlab chiqaruvchilar ommaviy ishlab chiqarishni boshlashdan oldin oxirgi texnik muammolarni hal qilishlari kerak.

Birinchidan, yonilg'i xujayralarini miniatyura qilish masalasini hal qilish kerak. Axir, yonilg'i xujayrasi qanchalik kichik bo'lsa, u shunchalik kam quvvat ishlab chiqarishi mumkin - shuning uchun doimiy ravishda yangi katalizatorlar va elektrodlar ishlab chiqilmoqda, ular kichik o'lchamlarda ishlaydigan sirtni maksimal darajada oshirishga imkon beradi. Bu erda nanotexnologiyalar va nanomateriallar (masalan, nanotubalar) sohasidagi so'nggi ishlanmalar juda qo'l keladi. Shunga qaramay, elementlarning quvurlarini (yonilg'i va suv nasoslari, sovutish tizimlari va yonilg'i konvertatsiyasi) miniatyuralashtirish uchun mikroelektromexanikaning yutuqlari tobora ko'proq foydalanilmoqda.

Ko'rib chiqilishi kerak bo'lgan ikkinchi muhim masala - bu narx. Axir, juda qimmat platina ko'pchilik yoqilg'i xujayralarida katalizator sifatida ishlatiladi. Shunga qaramay, ba'zi ishlab chiqaruvchilar allaqachon yaxshi tashkil etilgan silikon texnologiyalaridan maksimal darajada foydalanishga harakat qilmoqdalar.

Yoqilg'i xujayralaridan foydalanishning boshqa sohalariga kelsak, yoqilg'i xujayralari u erda allaqachon mustahkam o'rnashib olgan, garchi ular na energetika sohasida, na transportda hali asosiy oqimga aylanmagan. Allaqachon ko'plab avtomobil ishlab chiqaruvchilari yonilg'i xujayrasi bilan ishlaydigan kontseptual avtomobillarini taqdim etishdi. Yoqilg'i xujayrasi avtobuslari dunyoning bir qancha shaharlarida ishlaydi. Canadian Ballard Power Systems nashrlari butun chiziq 1 dan 250 kVt gacha quvvatga ega statsionar generatorlar. Shu bilan birga, kilovatt generatorlari bir xonadonni darhol elektr, issiqlik va issiq suv bilan ta'minlash uchun mo'ljallangan.

yonilg'i xujayralari Yoqilg'i xujayralari kimyoviy energiya manbalaridir. Ular samarasiz, yuqori yo'qotishli yonish jarayonlarini chetlab o'tib, yoqilg'i energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantirishni amalga oshiradilar. Ushbu elektrokimyoviy qurilma yoqilg'ining yuqori samarali "sovuq" yonishi natijasida to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasini ishlab chiqaradi.

Biokimyogarlar biologik vodorod-kislorod yonilg'i xujayrasi har biriga "qurilgan"ligini aniqladilar tirik hujayra(2-bobga qarang).

Tanadagi vodorodning manbai oziq-ovqat - yog'lar, oqsillar va uglevodlardir. Oshqozon, ichak va hujayralarda u oxir-oqibat monomerlarga parchalanadi, bu esa, o'z navbatida, bir qator kimyoviy o'zgarishlardan so'ng, tashuvchi molekulaga biriktirilgan vodorodni beradi.

Havodagi kislorod o'pka orqali qonga kiradi, gemoglobin bilan birlashadi va barcha to'qimalarga o'tkaziladi. Vodorodni kislorod bilan birlashtirish jarayoni organizm bioenergetikasining asosidir. Bu erda yumshoq sharoitda (xona harorati, normal bosim, suv muhiti) yuqori samarali kimyoviy energiya termal, mexanik (mushaklar harakati), elektr energiyasiga ( elektr Stingray), yorug'lik (hasharotlar yorug'lik chiqarish).

Inson tabiat tomonidan yaratilgan energiya olish qurilmasini yana bir bor takrorladi. Shu bilan birga, bu fakt yo'nalishning istiqbolidan dalolat beradi. Tabiatdagi barcha jarayonlar juda oqilona, ​​shuning uchun yoqilg'i xujayralaridan haqiqiy foydalanishga qaratilgan qadamlar energiya kelajagiga umid uyg'otadi.

1838 yilda vodorod-kislorodli yonilg'i xujayrasi kashfiyoti ingliz olimi V.Grovga tegishli. Suvning vodorod va kislorodga parchalanishini o'rganib, u yon ta'sirni aniqladi - elektrolizator elektr tokini hosil qildi.

Yoqilg'i kamerasida nima yonadi?
Qazib olinadigan yoqilg'ilar (ko'mir, gaz va neft) asosan ugleroddir. Yonish jarayonida yoqilg'i atomlari elektronlarni yo'qotadi va havo kislorod atomlari ularni oladi. Shunday qilib, oksidlanish jarayonida uglerod va kislorod atomlari yonish mahsulotlariga - karbonat angidrid molekulalariga birlashtiriladi. Bu jarayon kuchli: yonishda ishtirok etadigan moddalarning atomlari va molekulalari yuqori tezlikka ega bo'ladi va bu ularning haroratining oshishiga olib keladi. Ular yorug'lik chiqarishni boshlaydilar - alanga paydo bo'ladi.

Uglerodning yonish kimyoviy reaktsiyasi quyidagi shaklga ega:

C + O2 = CO2 + issiqlik

Yonish jarayonida kimyoviy energiya yoqilg'i va oksidlovchi atomlari o'rtasidagi elektron almashinuvi tufayli issiqlik energiyasiga aylanadi. Bu almashinuv tasodifiy sodir bo'ladi.

Yonish - atomlar orasidagi elektron almashinuvi, elektr toki esa elektronlarning yo'naltirilgan harakatidir. Agar kimyoviy reaksiya jarayonida elektronlar ishlashga majbur bo'lsa, u holda yonish jarayonining harorati pasayadi. FCda elektronlar bir elektrodda reaktivlardan olinadi, elektr toki shaklida o'z energiyasini beradi va ikkinchisida reaktivlarga qo'shiladi.

Har qanday HITning asosi elektrolitlar bilan bog'langan ikkita elektroddir. Yoqilg'i xujayrasi anod, katod va elektrolitdan iborat (2-bobga qarang). Anodda oksidlanadi, ya'ni. elektronlarni beradi, qaytaruvchi vosita (CO yoki H2 yoqilg'isi), anoddan erkin elektronlar tashqi konturga kiradi va musbat ionlar anod-elektrolit interfeysida (CO+, H+) saqlanadi. Zanjirning boshqa uchidan elektronlar katodga yaqinlashadi, bunda qaytarilish reaksiyasi sodir bo'ladi (oksidlovchi moddasi O2- tomonidan elektronlarning qo'shilishi). Keyin oksidlovchi ionlar elektrolitlar tomonidan katodga o'tkaziladi.

FCda fizik-kimyoviy tizimning uch fazasi birlashtirilgan:

gaz (yoqilg'i, oksidlovchi);
elektrolitlar (ionlarni o'tkazuvchisi);
metall elektrod (elektron o'tkazgich).
Yoqilg'i xujayralarida oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasining energiyasi elektr energiyasiga aylanadi va oksidlanish va qaytarilish jarayonlari elektrolit bilan fazoviy ravishda ajratiladi. Elektrodlar va elektrolitlar reaktsiyada ishtirok etmaydi, lekin haqiqiy dizaynlarda ular vaqt o'tishi bilan yoqilg'i aralashmalari bilan ifloslanadi. Elektrokimyoviy yonish past haroratlarda va amalda yo'qotishlarsiz davom etishi mumkin. Shaklda. p087 gazlar aralashmasi (CO va H2) yoqilg'i xujayrasiga kiradigan vaziyatni ko'rsatadi, ya'ni. u gazsimon yoqilg'ini yoqishi mumkin (1-bobga qarang). Shunday qilib, TE "omnivor" bo'lib chiqadi.

Yoqilg'i xujayralaridan foydalanish yoqilg'ining ular uchun "tayyorlanishi" kerakligi bilan murakkablashadi. Yoqilg'i xujayralari uchun vodorod organik yoqilg'ini aylantirish yoki ko'mirni gazlashtirish yo'li bilan olinadi. Shu sababli, yonilg'i xujayrasidagi elektr stantsiyasining strukturaviy diagrammasi, yonilg'i xujayrasi batareyalari, DC-AC konvertori (3-bobga qarang) va yordamchi uskunalardan tashqari, vodorod ishlab chiqarish blokini o'z ichiga oladi.

FK rivojlanishining ikki yo'nalishi

Yoqilg'i xujayralarini qo'llashning ikkita sohasi mavjud: avtonom va keng ko'lamli energiya.

Avtonom foydalanish uchun o'ziga xos xususiyatlar va foydalanish qulayligi asosiy hisoblanadi. Ishlab chiqarilgan energiyaning narxi asosiy ko'rsatkich emas.

Katta energiya ishlab chiqarish uchun samaradorlik hal qiluvchi omil hisoblanadi. Bundan tashqari, o'rnatishlar bardoshli bo'lishi kerak, qimmatbaho materiallar va foydalanishni o'z ichiga olmaydi tabiiy yoqilg'i minimal ta'lim xarajatlari bilan.

Eng katta imtiyozlar avtomobilda yonilg'i xujayralaridan foydalanish orqali taqdim etiladi. Bu erda, boshqa hech qanday joyda bo'lgani kabi, yonilg'i xujayralarining ixchamligi ta'sir qiladi. Yoqilg'idan to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasini olish bilan, ikkinchisini tejash taxminan 50% ni tashkil qiladi.

Yoqilg'i xujayralarini yirik energetikada qo'llash g'oyasi birinchi marta nemis olimi V.Osvald tomonidan 1894 yilda shakllantirilgan. Keyinchalik yoqilg'i xujayrasi asosida avtonom energiyaning samarali manbalarini yaratish g'oyasi ishlab chiqildi.

Shundan so'ng, ko'mirni yoqilg'i xujayralarida faol modda sifatida ishlatishga bir necha bor urinishlar qilindi. 1930-yillarda nemis tadqiqotchisi E.Bauer ko'mirni to'g'ridan-to'g'ri anodik oksidlanish uchun qattiq elektrolitli yonilg'i xujayrasining laboratoriya prototipini yaratdi. Shu bilan birga, kislorod-vodorod yonilg'i xujayralari o'rganildi.

1958 yilda Angliyada F.Bekon quvvati 5 kVt bo'lgan birinchi kislorod-vodorod zavodini yaratdi. Ammo yuqori gaz bosimidan (2 ... 4 MPa) foydalanish tufayli bu noqulay edi.

1955 yildan beri K. Kordesh AQShda past haroratli kislorod-vodorod yonilg'i xujayralari ishlab chiqmoqda. Ular platina katalizatorlari bilan uglerod elektrodlaridan foydalanganlar. Germaniyada E. Yust platina bo'lmagan katalizatorlar yaratish ustida ishlagan.

1960 yildan keyin namoyish va reklama namunalari yaratildi. Yoqilg'i xujayralarining birinchi amaliy qo'llanilishi Apollon kosmik kemasida topilgan. Ular bort jihozlarini quvvatlantirish uchun asosiy elektr stantsiyalari bo'lib, kosmonavtlarni suv va issiqlik bilan ta'minladilar.

Yoqilg'i xujayralari bilan avtonom qurilmalardan foydalanishning asosiy yo'nalishlari harbiy va dengiz ilovalari. 1960-yillarning oxirida yoqilg'i xujayralari bo'yicha tadqiqotlar hajmi kamaydi va 1980-yillardan keyin keng ko'lamli energiyaga nisbatan yana oshdi.

VARTA ikki tomonlama gaz diffuziya elektrodlari yordamida FK ishlab chiqdi. Ushbu turdagi elektrodlar "Janus" deb ataladi. Siemens elektrodlarni ishlab chiqdi quvvat zichligi 90 Vt/kg gacha. Amerika Qo'shma Shtatlarida kislorod-vodorod hujayralari ustida ish United Technology Corp tomonidan amalga oshirilmoqda.

Keng miqyosdagi energetika sanoatida yonilg'i xujayralarini keng ko'lamli energiya saqlash uchun ishlatish, masalan, vodorod ishlab chiqarish (1-bobga qarang) juda istiqbolli. (quyosh va shamol) tarqalgan (4-bobga qarang). Kelajakda ajralmas bo'lgan ulardan jiddiy foydalanish energiyani u yoki bu shaklda saqlaydigan sig'imli batareyalarsiz tasavvur qilib bo'lmaydi.

Yig'ish muammosi bugungi kunda allaqachon dolzarbdir: energiya tizimlarining yuklanishining kunlik va haftalik tebranishlari ularning samaradorligini sezilarli darajada pasaytiradi va manevr qobiliyati deb ataladigan imkoniyatlarni talab qiladi. Elektrokimyoviy energiyani saqlash variantlaridan biri elektrolizatorlar va gaz ushlagichlari* bilan birgalikda yonilg'i xujayrasi hisoblanadi.

* Gaz ushlagichi [gaz + ingliz. ushlagich] - katta miqdordagi gazni saqlash.

TE ning birinchi avlodi

Suyuq yoqilg'ida, tabiiy gazda yoki texnik vodorodda * 200 ... 230 ° S haroratda ishlaydigan birinchi avlodning o'rta haroratli yonilg'i xujayralari eng katta texnologik mukammallikka erishdi. Ulardagi elektrolitlar fosfor kislotasi bo'lib, u gözenekli uglerod matritsasini to'ldiradi. Elektrodlar ugleroddan qilingan va katalizator platina (platina har bir kilovatt quvvat uchun bir necha gramm miqdorida ishlatiladi).

* Tijorat vodorod - bu uglerod oksidining kichik aralashmalarini o'z ichiga olgan qazib olinadigan yoqilg'i konversiyasi mahsulotidir.

Shunday elektr stansiyalardan biri Kaliforniya shtatida 1991 yilda ishga tushirilgan. U har birining og'irligi 18 tonna bo'lgan o'n sakkizta akkumulyatordan iborat bo'lib, diametri 2 m dan sal ko'proq va balandligi taxminan 5 m bo'lgan korpusga joylashtirilgan.Batareyani almashtirish tartibi relslar bo'ylab harakatlanuvchi ramka tuzilishi yordamida o'ylab topilgan.

Qo'shma Shtatlar Yaponiyaga ikkita elektr stantsiyasini Yaponiyaga etkazib berdi. Ulardan birinchisi 1983 yil boshida ishga tushirilgan. Stansiyaning operatsion ko'rsatkichlari hisoblanganlarga to'g'ri keldi. U nominalning 25 dan 80% gacha yuk bilan ishladi. Samaradorlik 30...37% ga yetdi - bu zamonaviy yirik issiqlik elektr stansiyalariga yaqin. Uning sovuq holatdan ishga tushirish vaqti 4 soatdan 10 minutgacha, quvvatni noldan to'liqgacha o'zgartirish davomiyligi esa atigi 15 soniya.

Hozirda Qo'shma Shtatlarning turli burchaklarida yoqilg'idan foydalanish koeffitsienti taxminan 80% bo'lgan 40 kVt quvvatga ega kichik issiqlik va elektr stantsiyalari sinovdan o'tkazilmoqda. Ular suvni 130 ° S gacha qizdirishi mumkin va kir yuvish, sport majmualari, aloqa punktlari va boshqalarga joylashtiriladi. Yuzga yaqin o'rnatish allaqachon yuz minglab soat davomida ishlagan. FC elektr stantsiyalarining ekologik tozaligi ularni to'g'ridan-to'g'ri shaharlarda joylashtirish imkonini beradi.

Nyu-Yorkdagi birinchi yoqilg'i elektr stantsiyasi 4,5 MVt quvvatga ega bo'lib, 1,3 gektar maydonni egallagan. Endilikda quvvati ikki yarim baravar katta bo'lgan yangi stansiyalar uchun 30x60 m o'lchamdagi uchastka kerak.11 MVt quvvatga ega bir qancha ko'rgazmali elektr stansiyalari qurilmoqda. Qurilish muddati (7 oy) va elektr stantsiyasi egallagan maydoni (30x60 m) hayratlanarli. Yangi elektr stansiyalarining taxminiy xizmat muddati 30 yil.

Ikkinchi va uchinchi avlod TE

Eng yaxshi xususiyatlar Ikkinchi avlod o'rta haroratli yonilg'i xujayralari bo'lgan 5 MVt quvvatga ega modulli stansiyalar allaqachon loyihalashtirilmoqda. Ular 650 ... 700 ° S haroratda ishlaydi. Ularning anodlari nikel va xromning sinterlangan zarralaridan, katodlar sinterlangan va oksidlangan alyuminiydan, elektrolitlar esa litiy va kaliy karbonatlarining aralashmasidan iborat. Yuqori harorat ikkita asosiy elektrokimyoviy muammolarni hal qilishga yordam beradi:

katalizatorning uglerod oksidi bilan "zaharlanishini" kamaytirish;
katodda oksidlovchini kamaytirish jarayonining samaradorligini oshirish.
Qattiq oksidlarning elektrolitlari (asosan tsirkoniy dioksid) bo'lgan uchinchi avlodning yuqori haroratli yonilg'i xujayralari yanada samarali bo'ladi. Ularning ish harorati 1000 ° S gacha. Bunday yonilg'i xujayralari bo'lgan elektr stantsiyalarining samaradorligi 50% ga yaqin. Bu erda uglerod oksidi ko'p bo'lgan tosh ko'mirni gazlashtirish mahsulotlari ham yoqilg'i sifatida mos keladi. Xuddi shunday muhim, yuqori haroratli o'simliklarning chiqindi issiqligi elektr generatorlari uchun turbinalarni haydash uchun bug 'ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin.

Vestingaus 1958 yildan beri qattiq oksidli yonilg'i xujayralari biznesida. U 25 ... 200 kVt quvvatga ega elektr stantsiyalarini ishlab chiqadi, unda ko'mirdan gazsimon yoqilg'idan foydalanish mumkin. Bir necha megavatt quvvatga ega eksperimental qurilmalar sinovga tayyorlanmoqda. Amerikaning boshqa bir firmasi, Engelgurd elektrolit sifatida fosfor kislotasi bilan metanolda ishlaydigan 50 kVt quvvatga ega yonilg'i xujayralarini loyihalashtirmoqda.

Yoqilg'i xujayralarini yaratishda butun dunyo bo'ylab tobora ko'proq firmalar ishtirok etmoqda. American United Technology va Yaponiyaning Toshiba kompaniyalari Xalqaro yoqilg'i xujayralari korporatsiyasini tuzdilar. Evropada yonilg'i xujayralari bilan Belgiya-Gollandiya konsorsiumi Elenko, G'arbiy Germaniyaning Siemens kompaniyasi, Italiyaning Fiat va ingliz Jonson Metju shug'ullanadi.

Viktor LAVRUS.

Agar sizga ushbu material yoqqan bo'lsa, biz o'quvchilarimizga ko'ra saytimizdagi eng yaxshi materiallarni tanlashni taklif qilamiz. Tanlov - ekologik toza texnologiyalar haqida TOP, yangi fan va ilmiy kashfiyotlar siz uchun eng qulay bo'lgan joyni topishingiz mumkin

So'nggi paytlarda yoqilg'i xujayralari mavzusi hammaning og'zida. Va bu ajablanarli emas, bu texnologiya elektronika olamida paydo bo'lishi bilan u yangi tug'ilishni topdi. Mikroelektronika sohasidagi jahon yetakchilari o'zlarining mini elektr stantsiyalarini birlashtiradigan kelajakdagi mahsulotlarining prototiplarini taqdim etish uchun poyga qilishadi. Bu, bir tomondan, mobil qurilmalarning "rozetka" ga ulanishini zaiflashtirishi, ikkinchi tomondan, batareyaning ishlash muddatini uzaytirishi kerak.

Bundan tashqari, ularning ba'zilari etanol asosida ishlaydi, shuning uchun ushbu texnologiyalarni ishlab chiqish alkogolli ichimliklar ishlab chiqaruvchilarga bevosita foyda keltiradi - o'nlab yillardan so'ng, o'z mahsuloti uchun navbatdagi "doza" ortida turgan "IT xodimlari" navbatlari. Noutbuk vino zavodida navbatga tushadi.

Biz yuqori texnologiyali sanoatni qamrab olgan yonilg'i xujayralari "isitmasi" dan uzoqlasha olmaymiz va biz bu texnologiya qanday hayvon ekanligini, u nima bilan iste'mol qilinishini va qachon paydo bo'lishini kutish kerakligini aniqlashga harakat qilamiz. "ovqatlanish". Ushbu materialda biz yonilg'i xujayralari ushbu texnologiya kashf etilgan paytdan boshlab hozirgi kungacha bosib o'tgan yo'lni ko'rib chiqamiz. Kelgusida ularni amalga oshirish va rivojlantirish istiqbollarini ham baholashga harakat qilamiz.

Qanday bo'ldi

Yoqilg'i xujayrasi printsipi birinchi marta 1838 yilda Kristian Fridrix Shonbeyn tomonidan tasvirlangan va bir yil o'tgach, Philosophical Journal ushbu mavzu bo'yicha maqolasini nashr etdi. Biroq, bu faqat nazariy tadqiqotlar edi. Birinchi ishlaydigan yonilg'i xujayrasi yorug'likni 1843 yilda uelslik olim ser Uilyam Robert Grovening laboratoriyasida ko'rgan. Uni yaratishda ixtirochi zamonaviy fosforik kislotali akkumulyatorlarda ishlatiladigan materiallarga o'xshash materiallardan foydalangan. Keyinchalik ser Grovening yonilg'i xujayrasi V. Tomas Grub tomonidan takomillashtirildi. 1955 yilda afsonaviy General Electric kompaniyasida ishlagan bu kimyogar yonilg'i xujayrasidagi elektrolit sifatida sulfonatlangan polistirolli ion almashinadigan membranadan foydalangan. Faqat uch yil o'tgach, uning hamkasbi Leonard Niedrach vodorod oksidlanishi va kislorodni qabul qilish jarayonida katalizator bo'lgan membranaga platina yotqizish texnologiyasini taklif qildi.

Yoqilg'i xujayralarining "otasi" Kristian Schönbein

Ushbu tamoyillar yangi avlod yonilg'i xujayralari asosini tashkil etdi, ular yaratuvchilari nomi bilan "Grubb-Nidrach" elementlari deb ataladi. General Electric ushbu yo'nalishda rivojlanishda davom etdi, bunda NASA va aviatsiya giganti McDonnell Aircraft ko'magida birinchi tijorat yonilg'i xujayrasi yaratildi. Ustida yangi texnologiya okeanga e'tibor berdi. Va allaqachon 1959 yilda britaniyalik Frensis Bekon (Frensis Tomas Bekon) 5 kVt quvvatga ega statsionar yonilg'i xujayrasini taqdim etdi. Keyinchalik uning patentlangan dizaynlari amerikaliklar tomonidan litsenziyalangan va NASA kosmik kemalarida energiya va ta'minot tizimlarida ishlatilgan. ichimlik suvi. Xuddi shu yili amerikalik Garri Ihrig birinchi yonilg'i xujayrasi traktorini (umumiy quvvati 15 kVt) qurdi. Akkumulyatorlarda elektrolit sifatida kaliy gidroksid, reagent sifatida esa siqilgan vodorod va kislorod ishlatilgan.

Birinchi marta tijoriy maqsadlarda statsionar yonilg'i xujayralarini ishlab chiqarish kasalxonalar, universitetlar va biznes markazlari uchun zaxira quvvat tizimlarini taklif qilgan UTC Power tomonidan yo'lga qo'yildi. Ushbu sohada dunyoda etakchi bo'lgan ushbu kompaniya hali ham 200 kVtgacha quvvatga ega shunga o'xshash echimlarni ishlab chiqaradi. Shuningdek, u NASA uchun yoqilg'i xujayralarining asosiy yetkazib beruvchisi hisoblanadi. Uning mahsulotlaridan keng foydalanilgan kosmik dastur Apollon va Space Shuttle dasturining bir qismi sifatida hali ham talab mavjud. UTC Power shuningdek, transport vositalarining keng doirasi uchun "iste'molchi" yoqilg'i xujayralarini taklif qiladi. U birinchi bo'lib proton almashinadigan membrana yordamida salbiy haroratlarda oqim olish imkonini beruvchi yonilg'i xujayrasini yaratdi.

U qanday ishlaydi

Tadqiqotchilar reagent sifatida turli moddalar bilan tajriba o'tkazdilar. Biroq, yonilg'i xujayralari ishlashning asosiy tamoyillari, sezilarli darajada farqli bo'lishiga qaramay ishlash xususiyatlari, o'zgarishsiz qoladi. Har qanday yonilg'i xujayrasi elektrokimyoviy energiyani o'zgartiruvchi qurilmadir. Elektr energiyasini ma'lum miqdorda yoqilg'idan (anod tomonida) va oksidlovchidan (katod tomonida) ishlab chiqaradi. Reaksiya elektrolit (tarkibida erkin ionlar boʻlgan va oʻzini elektr oʻtkazuvchan muhit sifatida tutuvchi modda) ishtirokida davom etadi. Asos sifatida, har qanday bunday qurilmada unga kiradigan ma'lum reagentlar va ularning reaktsiya mahsulotlari mavjud bo'lib, ular elektrokimyoviy reaktsiya o'tkazilgandan keyin chiqariladi. Bu holda elektrolit faqat reaktivlarning o'zaro ta'siri uchun vosita bo'lib xizmat qiladi va yonilg'i xujayrasida o'zgarmaydi. Bunday sxemaga asoslanib, ideal yonilg'i xujayrasi reaktsiya uchun zarur bo'lgan moddalar ta'minoti mavjud bo'lganda ishlashi kerak.

Bu erda yonilg'i xujayralari an'anaviy batareyalar bilan aralashmaslik kerak. Birinchi holda, elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ba'zi "yoqilg'i" iste'mol qilinadi, keyinchalik uni to'ldirish kerak. Galvanik xujayralar bo'lsa, elektr yopiq kimyoviy tizimda saqlanadi. Batareyalar holatida, oqimni qo'llash teskari elektrokimyoviy reaktsiyaning paydo bo'lishiga va reagentlarni asl holatiga qaytarishga imkon beradi (ya'ni, uni zaryadlang). Mumkin turli xil kombinatsiyalar yoqilg'i va oksidlovchi. Masalan, vodorod yonilg'i xujayrasi reaktiv sifatida vodorod va kisloroddan (oksidlovchi vosita) foydalanadi. Ko'pincha bikarbonatlar va spirtlar yoqilg'i sifatida ishlatiladi va havo, xlor va xlor dioksidi oksidlovchi sifatida ishlaydi.

Yoqilg'i xujayrasida sodir bo'ladigan kataliz reaktsiyasi yoqilg'idan elektronlar va protonlarni chiqarib tashlaydi va harakatlanuvchi elektronlar elektr tokini hosil qiladi. Yoqilg'i xujayralari odatda reaktsiyani tezlashtirish uchun katalizator sifatida platina yoki uning qotishmalaridan foydalanadi. Yana bir katalitik jarayon elektronlarni protonlar va oksidlovchi moddalar bilan birlashtirib qaytaradi, natijada reaksiya mahsulotlari (emissiya) hosil bo'ladi. Odatda, bu emissiyalar oddiy moddalar: suv va karbonat angidrid.

An'anaviy proton almashinuvi membranasi yonilg'i xujayrasida (PEMFC) polimerik proton o'tkazuvchi membrana anod va katod tomonlarini ajratib turadi. Katod tomondan vodorod anod katalizatoriga tarqaladi, bu erda elektronlar va protonlar keyinchalik undan ajralib chiqadi. Keyin protonlar membrana orqali katodga o'tadi va protonlarni ta'qib qila olmaydigan elektronlar (membrana elektr izolyatsiyalangan) tashqi yuk zanjiri (elektr ta'minoti tizimi) orqali yo'naltiriladi. Katodik katalizator tomonida kislorod membranadan o'tgan protonlar va tashqi yuk zanjiri orqali kiradigan elektronlar bilan reaksiyaga kirishadi. Ushbu reaksiya natijasida suv (bug 'yoki suyuqlik shaklida) olinadi. Masalan, uglevodorod yoqilg'isi (metanol, dizel yoqilg'isi) yordamida yoqilg'i xujayralaridagi reaktsiyalar mahsulotlari suv va karbonat angidriddir.

Deyarli barcha turdagi yoqilg'i xujayralari yonilg'i xujayrasining kontaktlari va elementlarining tabiiy qarshiligi va elektr kuchlanishidan (dastlabki reaktsiyani amalga oshirish uchun zarur bo'lgan qo'shimcha energiya) kelib chiqadigan elektr yo'qotishlaridan aziyat chekadi. Ba'zi hollarda, bu yo'qotishlardan butunlay qochish mumkin emas, ba'zan esa "o'yin shamga loyiq emas", lekin ko'pincha ular maqbul minimal darajaga tushirilishi mumkin. Ushbu muammoni hal qilish yonilg'i xujayralari elektr ta'minoti tizimiga qo'yiladigan talablarga qarab parallel (yuqori oqim) yoki ketma-ket (yuqori kuchlanish) ulanishi mumkin bo'lgan ushbu qurilmalarning to'plamlaridan foydalanish hisoblanadi.

Yoqilg'i xujayralari turlari

Yoqilg'i xujayralarining juda ko'p turlari mavjud, ammo biz ulardan eng keng tarqalganiga qisqacha to'xtalib o'tishga harakat qilamiz.

Ishqoriy yonilg'i xujayralari (AFC)

Ishqoriy yoki ishqoriy yonilg'i xujayralari, shuningdek, ingliz "otasi" nomi bilan Bekon xujayralari deb ataladigan yonilg'i xujayralari eng yaxshi rivojlangan yonilg'i xujayrasi texnologiyalaridan biridir. Aynan shu qurilmalar insonning oyga qadam qo'yishiga yordam berdi. Umuman olganda, NASA 1960-yillarning o'rtalaridan boshlab ushbu turdagi yoqilg'i xujayralaridan foydalanmoqda. AFClar vodorod va sof kislorodni iste'mol qiladi va ishlab chiqaradi ichimlik suvi, issiqlik va elektr energiyasi. Ushbu texnologiya yaxshi rivojlanganligi sababli, u shunga o'xshash tizimlar orasida eng yuqori samaradorlik ko'rsatkichlaridan biriga ega (taxminan 70% potentsial).

Biroq, bu texnologiyaning kamchiliklari ham bor. Karbonat angidridni to'sib qo'ymaydigan elektrolit sifatida suyuq ishqoriy moddadan foydalanishning o'ziga xos xususiyatlaridan kelib chiqqan holda, kaliy gidroksidi (ishlatiladigan elektrolitlar variantlaridan biri) oddiy havoning ushbu komponenti bilan reaksiyaga kirishishi mumkin. Natijada kaliy karbonatning zaharli birikmasi bo'lishi mumkin. Bunga yo'l qo'ymaslik uchun toza kisloroddan foydalanish yoki havoni karbonat angidriddan tozalash kerak. Tabiiyki, bu bunday qurilmalarning narxiga ta'sir qiladi. Biroq, shunga qaramay, AFC bugungi kunda ishlab chiqarish uchun eng arzon yonilg'i xujayralari hisoblanadi.

To'g'ridan-to'g'ri borgidrid yonilg'i xujayralari (DBFC)

Ishqoriy yonilg'i xujayralarining ushbu kichik turi yoqilg'i sifatida natriy borgidriddan foydalanadi. Biroq, an'anaviy vodorodli AFClardan farqli o'laroq, bu texnologiya muhim afzalliklarga ega - karbonat angidrid bilan aloqa qilgandan keyin zaharli birikmalar hosil qilish xavfi yo'q. Biroq, uning reaktsiyasi mahsuloti deterjan va sovunlarda keng qo'llaniladigan boraks moddasidir. Boraks nisbatan zaharli emas.

DBFC'larni an'anaviy yonilg'i xujayralaridan ham arzonroq qilish mumkin, chunki ular qimmatbaho platina katalizatorlarini talab qilmaydi. Bundan tashqari, ular yuqori energiya zichligiga ega. Hisob-kitoblarga ko'ra, bir kilogramm natriy borgidrid ishlab chiqarish 50 dollar turadi, ammo agar ommaviy ishlab chiqarish tashkil etilsa va boraks qayta ishlansa, bu bar 50 barobarga qisqarishi mumkin.

Metall gidridli yonilg'i xujayralari (MHFC)

Ishqoriy yonilg'i xujayralarining ushbu kichik klassi hozirda faol o'rganilmoqda. Ushbu qurilmalarning o'ziga xos xususiyati vodorodni yonilg'i xujayrasi ichida kimyoviy saqlash qobiliyatidir. To'g'ridan-to'g'ri borogidrid yonilg'i xujayrasi bir xil qobiliyatga ega, ammo undan farqli o'laroq, MHFC sof vodorod bilan to'ldiriladi.

Orasida o'ziga xos xususiyatlar Bu yoqilg'i xujayralari:

• elektr energiyasidan zaryad qilish qobiliyati;
• past haroratlarda ishlash - -20 ° S gacha;
• uzoq saqlash muddati;
• tez "sovuq" boshlash;
• vodorodning tashqi manbaisiz bir muncha vaqt ishlash qobiliyati (yoqilg'ini almashtirish davri uchun).

Ko'pgina kompaniyalar ommaviy ishlab chiqarilgan MHFClarni yaratish ustida ish olib borishlariga qaramay, prototiplarning samaradorligi raqobatdosh texnologiyalar bilan solishtirganda etarlicha yuqori emas. Ushbu yonilg'i xujayralari uchun eng yaxshi oqim zichligidan biri kvadrat santimetr uchun 250 milliamper bo'lib, an'anaviy PEMFC yonilg'i xujayralari kvadrat santimetr uchun 1 amperlik oqim zichligini ta'minlaydi.

Elektro-galvanik yonilg'i xujayralari (EGFC)

EGFCdagi kimyoviy reaksiya kaliy gidroksid va kislorod ishtirokida sodir bo'ladi. Bu qo'rg'oshin anod va oltin bilan qoplangan katod o'rtasida elektr tokini hosil qiladi. Elektro-galvanik yonilg'i xujayrasidan chiqadigan kuchlanish kislorod miqdori bilan to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Bu xususiyat EGFC ni akvalang uskunalari va tibbiy asbob-uskunalarda kislorod sinov qurilmasi sifatida keng qo'llash imkonini berdi. Ammo aynan shu bog'liqlik tufayli kaliy gidroksidi yonilg'i xujayralari samarali ishlashning juda cheklangan davriga ega (kislorod konsentratsiyasi yuqori bo'lsa).

Birinchi sertifikatlangan EGFC kislorod sinovlari 2005 yilda keng tarqaldi, ammo o'sha paytda unchalik mashhur bo'lmagan. Ikki yildan so'ng chiqarilgan, sezilarli darajada o'zgartirilgan model ancha muvaffaqiyatli bo'ldi va hatto Floridadagi ixtisoslashtirilgan sho'ng'in shousida "yangilik" uchun mukofot oldi. Hozirgi vaqtda NOAA (Milliy okean va atmosfera ma'muriyati) va DDRC (sho'ng'in kasalliklarini o'rganish markazi) kabi tashkilotlar ulardan foydalanmoqda.

Formik kislota to'g'ridan-to'g'ri yonilg'i xujayralari (DFAFC)

Ushbu yonilg'i xujayralari PEMFC to'g'ridan-to'g'ri formik kislota qurilmalarining kichik turidir. Ushbu yonilg'i xujayralari o'zlarining o'ziga xos xususiyatlaridan kelib chiqqan holda, noutbuklar kabi portativ elektronika uchun asosiy quvvat manbai bo'lish imkoniyatiga ega. Uyali telefonlar va hokazo.

Metanol singari, formik kislota ham maxsus tozalash bosqichisiz to'g'ridan-to'g'ri yonilg'i xujayrasiga yuboriladi. Shuningdek, ushbu moddani, masalan, vodorodga qaraganda, saqlash ancha xavfsizroq va bundan tashqari, hech qanday maxsus saqlash sharoitlarini ta'minlash shart emas: chumoli kislotasi normal haroratda suyuqlikdir. Bundan tashqari, ushbu texnologiya to'g'ridan-to'g'ri metanol yonilg'i xujayralariga nisbatan ikkita shubhasiz afzalliklarga ega. Birinchidan, metanoldan farqli o'laroq, chumoli kislota membrana orqali o'tmaydi. Shuning uchun, DFAFC samaradorligi, ta'rifiga ko'ra, yuqoriroq bo'lishi kerak. Ikkinchidan, depressurizatsiya bo'lsa, formik kislota unchalik xavfli emas (metanol ko'rlikka olib kelishi mumkin, kuchli dozada esa o'lim).

Qizig'i shundaki, yaqin vaqtgacha ko'plab olimlar bu texnologiyani amaliy kelajakka ega deb bilishmagan. Tadqiqotchilarni ko'p yillar davomida chumoli kislotasiga chek qo'yishga turtki bo'lgan sabab katta elektr yo'qotishlariga olib keladigan yuqori elektrokimyoviy haddan tashqari kuchlanish edi. Ammo so'nggi tajribalar natijalari shuni ko'rsatdiki, bu samarasizlikning sababi an'anaviy ravishda yonilg'i xujayralarida bu maqsadda keng qo'llaniladigan platina katalizator sifatida ishlatilgan. Illinoys universiteti olimlari boshqa materiallar bilan bir qator tajribalar o'tkazgandan so'ng, palladiyni katalizator sifatida ishlatishda DFAFC unumdorligi ekvivalent to'g'ridan-to'g'ri metanol yonilg'i xujayralariga qaraganda yuqori ekanligi ma'lum bo'ldi. Hozirgi vaqtda ushbu texnologiyaga bo'lgan huquqlar Amerikaning Tekion kompaniyasiga tegishli bo'lib, u mikroelektron qurilmalar uchun Formira Power Pack mahsulot liniyasini taklif qiladi. Ushbu tizim akkumulyator batareyasi va haqiqiy yonilg'i xujayrasidan iborat "dupleks" dir. Batareyani zaryadlovchi kartrijdagi reagentlar yetkazib berish tugagach, foydalanuvchi shunchaki uni yangisiga almashtiradi. Shunday qilib, u "rozetka" dan butunlay mustaqil bo'ladi. Ishlab chiqaruvchining va'dalariga ko'ra, texnologiya an'anaviy akkumulyatorlardan atigi 10-15 foizga qimmat bo'lishiga qaramay, to'lovlar orasidagi vaqt ikki baravar ko'payadi. Ushbu texnologiyaning yagona asosiy to'siqlari uning kompaniya tomonidan qo'llab-quvvatlanishi bo'lishi mumkin o'rta sinf va hattoki bir qator parametrlar bo'yicha DFAFCdan ham pastroq bo'lishi mumkin bo'lgan texnologiyalarini taqdim etuvchi yirikroq raqobatchilar tomonidan shunchaki "bo'lib ketishi" mumkin.

To'g'ridan-to'g'ri metanol yoqilg'i xujayralari (DMFC)

Ushbu yonilg'i xujayralari proton almashinuvi membranasi qurilmalarining bir qismidir. Ular yonilg'i xujayrasiga zaryadlangan metanoldan foydalanadilar qo'shimcha tozalash. Biroq, metil spirtini saqlash ancha oson va portlovchi emas (garchi u yonuvchan va ko'rlikka olib kelishi mumkin bo'lsa ham). Shu bilan birga, metanolning energiya quvvati siqilgan vodorodnikidan sezilarli darajada yuqori.

Biroq, metanolning membrana orqali o'tishi mumkinligi sababli, katta hajmdagi yoqilg'i bilan DMFC ning samaradorligi past. Shu sababli ular transport va katta o'rnatish uchun mos bo'lmasa-da, bu qurilmalar mobil qurilmalar uchun batareyalarni almashtirish sifatida juda yaxshi.

Qayta ishlangan metanol yoqilg'i xujayralari (RMFC)

Qayta ishlangan metanol yoqilg'i xujayralari DMFC'lardan faqat elektr energiyasini ishlab chiqarishdan oldin metanolni vodorod va karbonat angidridga aylantirishi bilan farq qiladi. Bu yonilg'i protsessori deb ataladigan maxsus qurilmada sodir bo'ladi. Ushbu dastlabki bosqichdan so'ng (reaktsiya 250 ° C dan yuqori haroratda amalga oshiriladi) vodorod oksidlanish reaktsiyasiga kiradi, buning natijasida suv va elektr hosil bo'ladi.

RMFCda metanoldan foydalanish uning vodorodning tabiiy tashuvchisi ekanligi va etarlicha past haroratda (boshqa moddalarga nisbatan) vodorod va karbonat angidridga parchalanishi bilan bog'liq. Shuning uchun bu texnologiya DMFC ga qaraganda ancha rivojlangan. Qayta ishlangan metanol yonilg'i xujayralari samaraliroq, ixchamroq va noldan past haroratlarda ishlaydi.

To'g'ridan-to'g'ri etanol yoqilg'i xujayralari (DEFC)

Proton almashinadigan panjarali yonilg'i xujayralari sinfining yana bir vakili. Nomidan ko'rinib turibdiki, etanol oddiy moddalarga qo'shimcha tozalash yoki parchalanish bosqichlarini chetlab o'tib, yoqilg'i xujayrasiga kiradi. Ushbu qurilmalarning birinchi afzalligi - foydalanish etil spirti toksik metanol o'rniga. Bu shuni anglatadiki, siz ushbu yoqilg'ini ishlab chiqish uchun ko'p pul sarflashingiz shart emas.

Spirtli ichimliklarning energiya zichligi metanolnikidan taxminan 30% yuqori. Bundan tashqari, uni biomassadan ko'p miqdorda olish mumkin. Etanol yonilg'i xujayralari narxini pasaytirish maqsadida muqobil katalizator materiali uchun faol qidiruv ishlari olib borilmoqda. Ushbu maqsadlar uchun yonilg'i xujayralarida an'anaviy ravishda qo'llaniladigan platina juda qimmat va ushbu texnologiyalarni ommaviy qabul qilishda muhim to'siqdir. Ushbu muammoni hal qilish temir, mis va nikel aralashmasidan tayyorlangan katalizatorlar bo'lishi mumkin, ular eksperimental tizimlarda ajoyib natijalarni ko'rsatadi.

Sink havo yonilg'i xujayralari (ZAFC)

ZAFC elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ruxning havodagi kislorod bilan oksidlanishidan foydalanadi. Ushbu yonilg'i xujayralari ishlab chiqarish uchun arzon va juda yuqori energiya zichligini ta'minlaydi. Hozirgi vaqtda ular eshitish apparatlari va eksperimental elektromobillarda qo'llaniladi.

Anod tomonida sink zarralarining elektrolit bilan aralashmasi, katod tomonida esa havodan suv va kislorod mavjud bo'lib, ular bir-biri bilan reaksiyaga kirishib, gidroksil hosil qiladi (uning molekulasi kislorod atomi va vodorod atomidir, ular orasida. kovalent bog'lanish mavjud). Gidroksilning sink aralashmasi bilan reaksiyaga kirishishi natijasida katodga o'tadigan elektronlar chiqariladi. Bunday yonilg'i xujayralari ishlab chiqaradigan maksimal kuchlanish 1,65 V ni tashkil qiladi, lekin, qoida tariqasida, u sun'iy ravishda 1,4-1,35 V gacha kamayadi va tizimga havo kirishini cheklaydi. Ushbu elektrokimyoviy reaksiyaning yakuniy mahsulotlari sink oksidi va suvdir.

Ushbu texnologiyadan ham batareyalarda (zaryadlashsiz) ham, yonilg'i xujayralarida ham foydalanish mumkin. Ikkinchi holda, anod tomonidagi kamera tozalanadi va sink pastasi bilan to'ldiriladi. Umuman olganda, ZAFC texnologiyasi oddiy va ishonchli batareyalar ekanligini isbotladi. Ularning shubhasiz afzalligi reaktsiyani faqat yonilg'i xujayrasiga havo etkazib berishni sozlash orqali boshqarish qobiliyatidir. Ko'pgina tadqiqotchilar sink-havo yonilg'i xujayralarini elektr transport vositalari uchun kelajakdagi asosiy quvvat manbai sifatida ko'rib chiqmoqdalar.

Mikrob yonilg'i xujayralari (MFC)

Bakteriyalardan insoniyat manfaati uchun foydalanish g'oyasi yangi emas, garchi u yaqinda bu g'oyalar amalga oshirilgan bo'lsa ham. Hozirgi vaqtda biotexnologiyalardan turli mahsulotlar ishlab chiqarish (masalan, biomassadan vodorod olish), zararli moddalarni zararsizlantirish va elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun tijorat maqsadlarida foydalanish masalalari faol o'rganilmoqda. Mikrob yonilg'i xujayralari, shuningdek, biologik yonilg'i xujayralari deb ham ataladi, bakteriyalar yordamida elektr energiyasini ishlab chiqaradigan biologik elektrokimyoviy tizim. Bu texnologiya glyukoza, asetat (sirka kislota tuzi), butirat (butir kislota tuzi) yoki chiqindi suv kabi moddalarning katabolizmiga (murakkab molekulaning energiya ajralib chiqishi bilan oddiyroq molekulaga parchalanishi) asoslangan. Oksidlanish tufayli elektronlar chiqariladi, ular anodga o'tkaziladi, shundan so'ng hosil bo'lgan elektr toki o'tkazgich orqali katodga o'tadi.

Bunday yonilg'i xujayralarida mediatorlar odatda elektronlarning o'tkazuvchanligini yaxshilash uchun ishlatiladi. Muammo shundaki, vositachilar rolini o'ynaydigan moddalar qimmat va zaharli hisoblanadi. Biroq, elektrokimyoviy faol bakteriyalardan foydalanilganda, vositachilarga ehtiyoj qolmaydi. Bunday "uzatuvchisiz" mikrobial yonilg'i xujayralari yaqinda yaratila boshlandi va shuning uchun ularning barcha xususiyatlari yaxshi o'rganilmagan.

MFC hali yengib o'tmagan to'siqlarga qaramay, bu texnologiya katta imkoniyatlarga ega. Birinchidan, "yoqilg'i" ni topish qiyin emas. Bundan tashqari, bugungi kunda oqava suvlarni tozalash va ko'plab chiqindilarni yo'q qilish masalasi juda keskin. Ushbu texnologiyani qo'llash ikkala muammoni ham hal qilishi mumkin. Ikkinchidan, nazariy jihatdan uning samaradorligi juda yuqori bo'lishi mumkin. Mikrob yonilg'i xujayralari muhandislari uchun asosiy muammo va aslida ushbu qurilmaning eng muhim elementi mikroblardir. Ilmiy-tadqiqot uchun ko'plab grantlar olgan mikrobiologlar xursand bo'lishsa-da, fantastika mualliflari ham noto'g'ri mikroorganizmlarning "nashr etilishi" oqibatlari haqidagi kitoblarning muvaffaqiyatini kutib, qo'llarini ishqalaydilar. Tabiiyki, nafaqat keraksiz chiqindilarni, balki qimmatbaho narsalarni ham "hazm qiladigan" narsalarni olib kelish xavfi mavjud. Shunday qilib, printsipial jihatdan, har qanday yangi biotexnologiyalarda bo'lgani kabi, odamlar cho'ntagida bakteriyalar bilan zararlangan qutini olib yurish g'oyasidan ehtiyot bo'lishadi.

Ilova

Statsionar maishiy va sanoat elektr stansiyalari

Yoqilg'i xujayralari turli xil avtonom tizimlarda energiya manbalari sifatida keng qo'llaniladi, masalan, kosmik kemalar, masofaviy ob-havo stantsiyalari, harbiy inshootlar va boshqalar. Bunday elektr ta'minoti tizimining asosiy afzalligi uning boshqa texnologiyalarga nisbatan juda yuqori ishonchliligidir. Yoqilg'i xujayralarida harakatlanuvchi qismlar va har qanday mexanizmlar yo'qligi sababli elektr ta'minoti tizimlarining ishonchliligi 99,99% ga yetishi mumkin. Bundan tashqari, vodorodni reagent sifatida qo'llashda juda kichik vaznga erishish mumkin, bu kosmik asbob-uskunalar holatida eng muhim mezonlardan biridir.

So'nggi paytlarda turar-joy binolari va idoralarda keng qo'llaniladigan kombinatsiyalangan issiqlik va elektr qurilmalari keng tarqalmoqda. Ushbu tizimlarning o'ziga xos xususiyati shundaki, ular doimiy ravishda elektr energiyasini ishlab chiqaradilar, agar darhol iste'mol qilinmasa, suv va havoni isitish uchun ishlatiladi. Bunday qurilmalarning elektr samaradorligi atigi 15-20% bo'lishiga qaramay, bu kamchilik foydalanilmagan elektr energiyasi issiqlik ishlab chiqarish uchun ishlatilishi bilan qoplanadi. Umuman olganda, bunday kombinatsiyalangan tizimlarning energiya samaradorligi taxminan 80% ni tashkil qiladi. Bunday yonilg'i xujayralari uchun eng yaxshi reagentlardan biri fosforik kislotadir. Bu birliklar 90% energiya samaradorligini ta'minlaydi (35-50% elektr va qolgan issiqlik energiyasi).

Transport

Yoqilg'i xujayralari asosidagi energiya tizimlari transportda ham keng qo'llaniladi. Aytgancha, nemislar birinchilardan bo'lib transport vositalariga yonilg'i xujayralarini o'rnatdilar. Shunday qilib, bunday o'rnatish bilan jihozlangan dunyodagi birinchi tijorat qayig'i sakkiz yil oldin debyut qilgan. "Hydra" deb nomlangan va 22 yo'lovchini tashishga mo'ljallangan ushbu kichik kema Germaniyaning sobiq poytaxti yaqinida 2000 yil iyun oyida suvga tushirilgan. Vodorod (ishqoriy yonilg'i xujayrasi) energiya tashuvchi reaktiv sifatida ishlaydi. Ishqoriy (ishqoriy) yonilg'i xujayralaridan foydalanish tufayli o'rnatish -10 ° C gacha bo'lgan haroratda oqim hosil qila oladi va sho'r suvdan "qo'rqmaydi". 5 kVt quvvatga ega elektr dvigatel bilan boshqariladigan "Hydra" qayig'i 6 tugungacha (taxminan 12 km/soat) tezlikka ega.

"Gidra" qayig'i

Yoqilg'i xujayralari (ayniqsa, vodorod bilan ishlaydigan) quruqlikdagi transportda ancha keng tarqalgan. Umuman olganda, vodorod avtomobil dvigatellari uchun yoqilg'i sifatida ancha vaqtdan beri ishlatilgan va printsipial jihatdan an'anaviy ichki yonish dvigateli ushbu muqobil yoqilg'idan foydalanish uchun osongina aylantirilishi mumkin. Biroq, an'anaviy vodorod yonishi vodorod va kislorod o'rtasidagi kimyoviy reaktsiya orqali elektr energiyasini ishlab chiqarishdan ko'ra kamroq samaralidir. Va ideal holda, vodorod, agar u yoqilg'i xujayralarida ishlatilsa, tabiat uchun mutlaqo xavfsiz bo'ladi yoki ular aytganidek, "atrof-muhit uchun do'stona" bo'ladi, chunki "issiqxona" ga tegadigan kimyoviy reaktsiya paytida karbonat angidrid yoki boshqa moddalar ajralib chiqmaydi. ta'sir ".

To'g'ri, bu erda, kutganidek, bir nechta katta "lekin" bor. Gap shundaki, qayta tiklanmaydigan manbalardan (tabiiy gaz, ko'mir, neft mahsulotlari) vodorod ishlab chiqarishning ko'plab texnologiyalari ekologik jihatdan unchalik xavfsiz emas, chunki ular jarayonida ko'p miqdorda karbonat angidrid chiqariladi. Nazariy jihatdan, agar uni olish uchun qayta tiklanadigan resurslar ishlatilsa, u holda zararli chiqindilar umuman bo'lmaydi. Biroq, bu holda, xarajat sezilarli darajada oshadi. Ko'pgina mutaxassislarning fikriga ko'ra, bu sabablarga ko'ra vodorodning benzin yoki tabiiy gaz o'rnini bosuvchi salohiyati juda cheklangan. Allaqachon arzonroq alternativalar mavjud va, ehtimol, davriy jadvalning birinchi elementidagi yonilg'i xujayralari transport vositalarida ommaviy hodisaga aylana olmaydi.

Avtomobil ishlab chiqaruvchilari energiya manbai sifatida vodorod bilan faol tajriba o'tkazmoqda. Va buning asosiy sababi atmosferaga zararli chiqindilarga nisbatan Evropa Ittifoqining ancha qattiq pozitsiyasidir. Evropada tobora kuchayib borayotgan cheklovlar tufayli Daimler AG, Fiat va Ford Motor Company avtomobilsozlik sanoatidagi yonilg'i xujayralarining kelajagi bo'yicha o'zlarining asosiy modellarini shunga o'xshash quvvat stansiyalari bilan jihozlash bo'yicha o'z qarashlarini ochib berishdi. Yevropaning yana bir avtogiganti Volkswagen hozirda yonilg‘i xujayrasi avtomobilini tayyorlamoqda. Yaponiya va Janubiy Koreya firmalari ham ulardan qolishmaydi. Biroq, hamma ham ushbu texnologiyaga pul tikmaydi. Ko'pchilik ichki yonish dvigatellarini o'zgartirishni yoki ularni akkumulyatorli elektr motorlar bilan birlashtirishni afzal ko'radi. Toyota, Mazda va BMW bu yo'ldan borishdi. Amerika kompaniyalariga kelsak, o'zining Focus modeliga ega Forddan tashqari, General Motors ham bir nechta yonilg'i xujayrasi avtomobillarini taqdim etdi. Bu tashabbuslarning barchasi ko'plab davlatlar tomonidan faol rag'batlantirilmoqda. Misol uchun, Qo'shma Shtatlarda bozorga kiruvchi yangi gibrid avtomobil soliqlardan ozod qilingan qonun mavjud, bu juda munosib miqdor bo'lishi mumkin, chunki qoida tariqasida bunday mashinalar an'anaviy ichki yonishli hamkasblariga qaraganda qimmatroqdir. dvigatellar. Shunday qilib, gibridlar xarid sifatida yanada jozibador bo'ladi. To'g'ri, hozircha bu qonun faqat 60 000 ta avtomobil sotuv darajasiga yetguncha bozorga kiradigan modellarga nisbatan qo'llaniladi, shundan so'ng imtiyoz avtomatik ravishda bekor qilinadi.

Elektronika

Yaqinda yonilg'i xujayralari noutbuklar, mobil telefonlar va boshqa mobil elektron qurilmalarda tobora ko'proq foydalanilmoqda. Buning sababi batareyaning uzoq ishlash muddati uchun mo'ljallangan qurilmalarning tez ortib borayotgan ochko'zligi edi. Telefonlarda katta sensorli ekranlardan foydalanish, kuchli audio imkoniyatlari hamda Wi-Fi, Bluetooth va boshqa yuqori chastotali simsiz aloqa protokollarini qo‘llab-quvvatlashni joriy etish natijasida akkumulyator sig‘imi talablari ham o‘zgardi. Va birinchi uyali telefonlar paydo bo'lganidan beri batareyalar sig'imi va ixchamligi bo'yicha uzoq yo'lni bosib o'tgan bo'lsa-da (aks holda, bugungi kunda muxlislarni aloqa funktsiyasi bo'lgan ushbu qurol bilan stadionlarga kiritilmaydi), ular hali ham davom etmaydilar. elektron sxemalarni miniatyuralashtirish bilan ham, ishlab chiqaruvchilar o'z mahsulotlariga ko'proq va ko'proq xususiyatlarni yaratish istagi bilan. Joriy akkumulyatorlarning yana bir muhim kamchiliklari ularning uzoq zaryadlash vaqtidir. Hamma narsa shuni ko'rsatadiki, telefon yoki cho'ntak multimedia pleerida egasining avtonomiyasini oshirish uchun mo'ljallangan (simsiz Internet, navigatsiya tizimlari va boshqalar) qanchalik ko'p funktsiyalar bo'lsa, ushbu qurilma "rozetka" ga shunchalik bog'liq bo'ladi.

Maksimal o'lchamlarda cheklanganlardan ancha kichik bo'lgan noutbuklar haqida hech narsa aytish mumkin emas. Uzoq vaqt davomida avtonom ishlash uchun mo'ljallanmagan, bir ofisdan boshqasiga o'tkazish bundan mustasno, ultra samarali noutbuklar uyasi uzoq vaqtdan beri shakllangan. Va hatto noutbuk dunyosining eng tejamkor a'zolari ham batareyaning to'liq ishlash muddatini ta'minlash uchun kurashadilar. Shu sababli, qimmatroq bo'lmagan, balki ancha samaraliroq bo'lgan an'anaviy batareyalarga alternativani topish masalasi juda keskin. Sohaning yetakchi vakillari esa yaqinda bu muammoni hal qilishmoqda. Yaqinda tijorat metanol yonilg'i xujayralari joriy etildi, ularni ommaviy yetkazib berish kelgusi yilning boshidan boshlanishi mumkin.

Tadqiqotchilar negadir vodoroddan ko‘ra metanolni tanladilar. Metanolni saqlash ancha oson, chunki u yuqori bosim yoki maxsus harorat sharoitlarini talab qilmaydi. Metil spirti -97,0 ° C dan 64,7 ° S gacha bo'lgan suyuqlikdir. Shu bilan birga, metanolning N-hajmidagi o'ziga xos energiya vodorodning bir xil hajmidan kattaroqdir. Yuqori bosim. Mobil elektron qurilmalarda keng qo'llaniladigan to'g'ridan-to'g'ri metanol yoqilg'i xujayrasi texnologiyasi foydalanishni o'z ichiga oladi metil spirti katalitik konversiya jarayonini chetlab o'tib, oddiygina yoqilg'i xujayrasi tankini to'ldirgandan so'ng (shuning uchun "to'g'ridan-to'g'ri metanol" nomi). Bu ham ushbu texnologiyaning asosiy afzalligi.

Biroq, kutilgandek, bu barcha plyuslarning kamchiliklari bor edi, bu esa uni qo'llash doirasini sezilarli darajada cheklab qo'ydi. Ushbu texnologiya hali to'liq ishlab chiqilmaganligini hisobga olsak, membrana materiali orqali metanolning "oqishi" natijasida yuzaga keladigan bunday yonilg'i xujayralarining past samaradorligi muammosi hal qilinmagan. Bundan tashqari, ular ta'sirchan dinamik xususiyatlarga ega emas. Anodda hosil bo'lgan karbonat angidrid bilan nima qilish kerakligini hal qilish oson emas. Zamonaviy DMFC qurilmalari yuqori energiya ishlab chiqarishga qodir emas, lekin ular kichik hajmdagi moddalar uchun yuqori energiya quvvatiga ega. Bu shuni anglatadiki, hali ko'p energiya mavjud bo'lmasa-da, to'g'ridan-to'g'ri metanol yoqilg'i xujayralari uni uzoq vaqt davomida ishlab chiqarishi mumkin. Bu ularning past quvvati tufayli transport vositalarida to'g'ridan-to'g'ri foydalanishga imkon bermaydi, lekin ularni batareyaning ishlash muddati juda muhim bo'lgan mobil qurilmalar uchun deyarli ideal echimga aylantiradi.

Eng so'nggi tendentsiyalar

Avtotransport vositalari uchun yonilg'i xujayralari uzoq vaqt davomida ishlab chiqarilgan bo'lsa-da, hozirgacha bu echimlar keng tarqalmagan. Buning sabablari ko'p. Va asosiylari - ishlab chiqaruvchilarning iqtisodiy jihatdan maqsadga muvofiq emasligi va arzon yoqilg'i ishlab chiqarishni yo'lga qo'yishni istamasligi. Qayta tiklanadigan energiya manbalariga o'tishning tabiiy jarayonini majburlashga urinishlar, kutilgandek, yaxshi narsaga olib kelmadi. Albatta, qishloq xo‘jaligi mahsulotlari narxining keskin oshib ketishining sababi ularning ommaviy ravishda bioyoqilg‘iga aylantirila boshlaganligida emas, balki Afrika va Osiyoning ko‘plab mamlakatlari yetarlicha mahsulot ishlab chiqarishga qodir emasligida yashiringan. hatto mahsulotga bo'lgan ichki talabni qondirish uchun.

Shubhasiz, bioyoqilg'idan foydalanishni rad etish jahon oziq-ovqat bozoridagi vaziyatning sezilarli yaxshilanishiga olib kelmaydi, aksincha, bu ko'p yillar davomida birinchi marta oziq-ovqat mahsulotlarini olgan Evropa va Amerika fermerlariga zarba berishi mumkin. yaxshi pul ishlash imkoniyati. Ammo bu masalaning axloqiy tomonini yozib bo‘lmaydi, millionlab odamlar ochlikdan qiynalayotgan paytda “non”ni tanklarga to‘ldirish xunuk. Shuning uchun, xususan, evropalik siyosatchilar endi biotexnologiyaga nisbatan sovuqroq munosabatda bo'lishadi, bu qayta tiklanadigan energiya manbalariga o'tish strategiyasini qayta ko'rib chiqish bilan tasdiqlangan.

Bunday vaziyatda mikroelektronika yonilg'i xujayralari uchun eng istiqbolli dastur sohasiga aylanishi kerak. Bu erda yonilg'i xujayralari mustahkam o'rin egallash uchun eng katta imkoniyatga ega. Birinchidan, uyali telefon sotib olgan odamlar, aytaylik, avtomobil xaridorlariga qaraganda ko'proq tajriba o'tkazishga tayyor. Ikkinchidan, ular pul sarflashga tayyor va, qoida tariqasida, "dunyoni qutqarish" ga qarshi emas. Buni tasdiqlash mumkin ajoyib muvaffaqiyat iPod Nano-ning qizil "Bono" versiyasi, sotishdan tushgan pulning bir qismi Qizil Xochga o'tkazildi.

Apple iPod Nano-ning "Bono" versiyasi

Portativ elektronika uchun yonilg'i xujayralariga e'tiborini qaratganlar orasida ilgari yonilg'i xujayralarini yaratishga ixtisoslashgan va endi ularni qo'llash uchun yangi maydon ochgan kompaniyalar, shuningdek, mikroelektronikaning etakchi ishlab chiqaruvchilari bor. Misol uchun, yaqinda o'z biznesini mobil elektron qurilmalar uchun metanol yoqilg'i xujayralari ishlab chiqarishga aylantirgan MTI Micro kompaniyasi 2009 yilda ommaviy ishlab chiqarishni boshlashini e'lon qildi. Shuningdek, u dunyodagi birinchi metanol yoqilg'i xujayrasi GPS qurilmasini taqdim etdi. Ushbu kompaniya vakillarining so'zlariga ko'ra, yaqin kelajakda uning mahsulotlari an'anaviy litiy-ion batareyalarni to'liq almashtiradi. To'g'ri, dastlab ular arzon bo'lmaydi, lekin bu muammo har qanday yangi texnologiyaga hamroh bo'ladi.

Yaqinda ommaviy axborot vositalarida ishlaydigan qurilmaning DMFC variantini namoyish etgan Sony kabi kompaniya uchun bu texnologiyalar yangi, ammo ular istiqbolli yangi bozorda yo'qolmaslikka jiddiy yondashadi. O'z navbatida, Sharp yanada uzoqroqqa bordi va yonilg'i xujayrasi prototipi bilan yaqinda metanolning har kub santimetri uchun 0,3 vatt o'ziga xos energiya quvvati bo'yicha jahon rekordini o'rnatdi. Hatto ko'plab mamlakatlar hukumatlari ham ushbu yoqilg'i xujayralarini ishlab chiqaruvchi kompaniyalar bilan uchrashishdi. Shunday qilib, AQSh, Kanada, Buyuk Britaniya, Yaponiya va Xitoy aeroportlari metanolning toksikligi va yonuvchanligiga qaramay, uni salonda tashish bo'yicha ilgari mavjud bo'lgan cheklovlarni bekor qildi. Albatta, bu faqat maksimal quvvati 200 ml bo'lgan sertifikatlangan yonilg'i xujayralari uchun ruxsat etiladi. Shunga qaramay, bu nafaqat ishqibozlar, balki davlatlarning ham ushbu ishlanmalarga qiziqishini yana bir bor tasdiqlaydi.

To'g'ri, ishlab chiqaruvchilar hali ham uni xavfsiz o'ynashga harakat qilmoqdalar va yoqilg'i xujayralarini asosan zaxira quvvat tizimi sifatida taklif qilmoqdalar. Bunday yechimlardan biri yonilg‘i xujayrasi va akkumulyatorning birikmasidir: yoqilg‘i bor ekan, u doimo akkumulyatorni zaryad qiladi va u tugaganidan keyin foydalanuvchi shunchaki bo‘sh kartrijni yangi idishdagi metanol bilan almashtiradi. Yana bir mashhur tendentsiya yaratishdir zaryadlovchi qurilmalar yonilg'i xujayralari ustida. Ular yo'lda foydalanish mumkin. Shu bilan birga, ular batareyalarni juda tez zaryadlashlari mumkin. Boshqacha aytganda, kelajakda, ehtimol, har bir kishi cho'ntagida shunday "rozetka" olib yuradi. Ushbu yondashuv, ayniqsa, mobil telefonlarga tegishli bo'lishi mumkin. O'z navbatida, noutbuklar yaqin kelajakda o'rnatilgan yonilg'i xujayralariga ega bo'lishi mumkin, ular "rozetka" dan zaryadlashni to'liq almashtirmasa, hech bo'lmaganda unga jiddiy muqobil bo'ladi.

Shunday qilib, yaqinda Yaponiyada yonilg'i xujayralarini ishlab chiqish markazi qurilishini e'lon qilgan Germaniyaning eng yirik kimyo kompaniyasi BASF prognoziga ko'ra, 2010 yilga kelib ushbu qurilmalar bozori 1 milliard dollarni tashkil qiladi. Shu bilan birga, uning tahlilchilari 2020 yilga kelib yonilg'i xujayralari bozorining o'sishini 20 milliard dollarga yetkazishini taxmin qilmoqda. Aytgancha, BASF ushbu markazda portativ elektronika (xususan, noutbuklar) va statsionar energiya tizimlari uchun yonilg'i xujayralari ishlab chiqishni rejalashtirmoqda. Ushbu korxona uchun joy tasodifan tanlanmagan - bu texnologiyalarning asosiy xaridorlari Germaniya kompaniyasi mahalliy firmalarni ko'radi.

Xulosa o'rniga

Albatta, yonilg'i xujayralari mavjud elektr ta'minoti tizimining o'rnini bosishini kutmaslik kerak. Hech bo'lmaganda yaqin kelajak uchun. Bu ikki qirrali qilich: ko'chma elektr stantsiyalari, albatta, iste'molchiga elektr energiyasini etkazib berish bilan bog'liq yo'qotishlar yo'qligi sababli yanada samaraliroq, ammo ular markazlashtirilgan elektr ta'minoti uchun jiddiy raqobatchi bo'lishi mumkinligini ham hisobga olish kerak. tizim faqat ushbu qurilmalar uchun markazlashtirilgan yoqilg'i ta'minoti tizimi yaratilgan bo'lsa. Ya'ni, "rozetka" oxir-oqibatda har bir uyga va har bir burchakka kerakli reagentlarni etkazib beradigan ma'lum bir quvur bilan almashtirilishi kerak. Va bu mutlaqo bir xil erkinlik va mustaqillik emas tashqi manbalar yonilg'i xujayrasi ishlab chiqaruvchilari haqida gapiradigan joriy.

Ushbu qurilmalar zaryadlash tezligi ko'rinishida inkor etilmaydigan afzalliklarga ega - men oddiygina kameradagi metanol kartridjini almashtirdim (o'ta og'ir holatlarda Jek Denielning kubogi yopildi) va yana Luvr zinapoyasidan yuqoriga ko'tarildim. Boshqa tomondan, agar, aytaylik, oddiy telefon ikki soat quvvatlanadi va har 2-3 kunda zaryadlashni talab qiladi, keyin faqat ixtisoslashtirilgan do'konlarda sotiladigan kartrijni almashtirish ko'rinishidagi muqobil, hatto har ikki haftada bir marta ham talabga ega bo'lishi dargumon. Agar bir necha yuz millilitrli yoqilg'i bo'lgan germetik idish yakuniy iste'molchiga yetib borsa, uning narxi sezilarli darajada o'sishiga ulguradi.Faqat ishlab chiqarish ko'lamigina narxning oshishiga qarshi tura oladi, ammo bu shunday bo'ladi. miqyosi bozorda talabga ega bo'ladimi?Va optimal yoqilg'i turi tanlanmaguncha, bu muammoni hal qilish juda qiyin bo'ladi.muammoli.

Boshqa tomondan, an'anaviy plaginli zaryadlash, yonilg'i xujayralari va boshqa muqobil energiya ta'minoti tizimlari (masalan, quyosh panellari) kombinatsiyasi energiya manbalarini diversifikatsiya qilish va atrof-muhit turlariga o'tish muammosini hal qilishi mumkin. Biroq, elektron mahsulotlarning ma'lum bir guruhi uchun yonilg'i xujayralari keng qo'llanilishi mumkin. Buni Canon yaqinda raqamli kameralar uchun o'zining yonilg'i xujayralarini patentlagani va ushbu texnologiyalarni o'z yechimlariga kiritish strategiyasini e'lon qilgani tasdiqlaydi. Noutbuklarga kelsak, agar yonilg'i xujayralari yaqin kelajakda ularga yetib borsa, ehtimol faqat zaxira quvvat tizimi sifatida. Endi, masalan, biz asosan noutbukga qo'shimcha ravishda ulangan tashqi zaryadlash modullari haqida gapiramiz.

Ammo bu texnologiyalarning rivojlanish istiqbollari katta Uzoq muddat. Ayniqsa, kelgusi bir necha o'n yilliklarda yuzaga kelishi mumkin bo'lgan neft ochligi tahdidi nuqtai nazaridan. Bunday sharoitda yoqilg'i xujayralari ishlab chiqarish qanchalik arzon bo'lishi emas, balki neft-kimyo sanoatidan qat'i nazar, ular uchun yoqilg'i ishlab chiqarish qancha bo'lishi va unga bo'lgan ehtiyojni qoplay olishi muhimroqdir.

Nissan vodorod yonilg'i xujayrasi

Mobil elektronika yildan-yilga takomillashib, kengroq va qulayroq bo'lib bormoqda: PDA, noutbuklar, mobil va raqamli qurilmalar, foto ramkalar va boshqalar. Ularning barchasi doimiy ravishda yangi xususiyatlar, kattaroq monitorlar, simsiz aloqa, kuchli protsessorlar bilan yangilanadi, shu bilan birga kamayib boradi. hajmi.. Energiya texnologiyalari, yarimo'tkazgich texnologiyasidan farqli o'laroq, sakrash va chegaralar bilan o'tmaydi.

Sanoat yutuqlarini quvvat bilan ta'minlash uchun mavjud batareyalar va akkumulyatorlar etarli emas, shuning uchun muqobil manbalar masalasi juda keskin. Yoqilg'i xujayralari eng istiqbolli yo'nalishdir. Ularning ishlash printsipi 1839 yilda Uilyam Grove tomonidan kashf etilgan bo'lib, u suvning elektrolizini o'zgartirib, elektr energiyasini ishlab chiqaradi.

Video: Hujjatli film, transport uchun yoqilg'i xujayralari: o'tmish, hozirgi, kelajak

Yoqilg'i xujayralari avtomobil ishlab chiqaruvchilarni qiziqtiradi va yaratuvchilar ham ularga qiziqish bildirmoqda. kosmik kemalar. 1965 yilda ular hatto Amerika tomonidan koinotga uchirilgan Gemini 5da, keyinroq esa Apollonda sinovdan o'tkazildi. Atrof-muhitning ifloslanishi, qazib olinadigan yoqilg'ilarning yonishi natijasida issiqxona gazlari chiqindilarining ko'payishi bilan bog'liq muammolar mavjud bo'lgan bugungi kunda ham yonilg'i xujayralari tadqiqotlariga millionlab dollar sarmoya kiritiladi, ularning zaxiralari ham cheksizdir.

Ko'pincha elektrokimyoviy generator deb ataladigan yonilg'i xujayrasi quyida tavsiflangan tarzda ishlaydi.

Akkumulyatorlar va batareyalar kabi galvanik hujayra bo'lish, ammo farqi bilan faol moddalar unda alohida saqlanadi. Ular ishlatiladigan elektrodlarga keladi. Tabiiy yoqilg'i yoki undan olingan har qanday modda gazsimon (vodorod, masalan, uglerod oksidi) yoki spirtli ichimliklar kabi suyuq bo'lishi mumkin bo'lgan salbiy elektrodda yonadi. Ijobiy elektrodda, qoida tariqasida, kislorod reaksiyaga kirishadi.

Ammo oddiy ko'rinadigan harakat tamoyilini haqiqatga aylantirish oson emas.

DIY yonilg'i xujayrasi

Video: DIY vodorod yonilg'i xujayrasi

Afsuski, bizda ushbu yonilg'i elementi qanday ko'rinishi kerakligi haqidagi fotosuratlar yo'q, biz sizning tasavvuringizga umid qilamiz.

O'z qo'llaringiz bilan kam quvvatli yonilg'i xujayrasi hatto maktab laboratoriyasida ham amalga oshirilishi mumkin. Siz eski gaz niqobi, bir necha bo'lak plexiglass, lye va ustiga zaxiralashingiz kerak suvli eritma yonilg'i xujayrasi uchun "yoqilg'i" bo'lib xizmat qiladigan etil spirti (oddiyroq, aroq).

Avvalo, sizga kamida besh millimetr qalinlikdagi plexiglassdan yasalgan eng yaxshi yonilg'i xujayrasi uchun korpus kerak. Ichki qismlarni (ichida beshta bo'linmani) biroz yupqaroq qilish mumkin - 3 sm.Plexiglassni yopishtirish uchun quyidagi tarkibdagi elim ishlatiladi: olti gramm pleksiglas chiplari yuz gramm xloroform yoki dikloroetanda eritiladi (ular kaput ostida ishlaydi). ).

Tashqi devorda endi teshikni burg'ulash kerak, unga rezina tiqin orqali diametri 5-6 santimetr bo'lgan drenaj shishasi trubkasini kiritishingiz kerak.

Har bir inson, pastki chap burchakdagi davriy jadvalda eng faol metallar borligini biladi va yuqori faollikdagi metalloidlar yuqori o'ng burchakdagi jadvalda, ya'ni. elektronlarni berish qobiliyati yuqoridan pastga va o'ngdan chapga ortadi. Muayyan sharoitlarda metallar yoki metalloidlar sifatida namoyon bo'lishi mumkin bo'lgan elementlar stolning markazida joylashgan.

Endi biz gaz niqobidan ikkinchi va to'rtinchi bo'limlarga quyamiz Faollashtirilgan uglerod(birinchi bo'lim va ikkinchi, shuningdek, uchinchi va to'rtinchi o'rtasida) elektrodlar vazifasini bajaradi. Ko'mir teshiklardan to'kilmasligi uchun uni neylon matoga solib qo'yish mumkin (ayollarning neylon paypoqlari qiladi). DA

Yoqilg'i birinchi kamerada aylanadi, beshinchisida kislorod yetkazib beruvchi - havo bo'lishi kerak. Elektrodlar orasida elektrolit bo'ladi va uning havo kamerasiga oqib chiqmasligi uchun uni benzindagi kerosin eritmasi bilan namlash kerak (2 gramm kerosinning yarim stakan benzinga nisbati) havo elektrolitlari uchun to'rtinchi kamerani ko'mir bilan to'ldirishdan oldin. Ko'mir qatlamiga simlar lehimlangan mis plitalarni qo'yish kerak (bir oz bosish). Ular orqali oqim elektrodlardan buriladi.

Faqat elementni zaryad qilish uchun qoladi. Buning uchun aroq kerak, uni suv bilan 1: 1 nisbatda suyultirish kerak. Keyin ehtiyotkorlik bilan uch yuzdan uch yuz ellik gramm kostik kaliy qo'shing. Elektrolitlar uchun 70 gramm gidroksidi kaliy 200 gramm suvda eritiladi.

Yoqilg'i xujayrasi sinovga tayyor. Endi siz bir vaqtning o'zida birinchi kameraga yoqilg'ini, uchinchi kameraga elektrolitni quyishingiz kerak. Elektrodlarga ulangan voltmetr 07 voltdan 0,9 gacha ko'rsatishi kerak. Elementning uzluksiz ishlashini ta'minlash uchun sarflangan yoqilg'ini to'kish (stakanga to'kib tashlash) va yangi yoqilg'ini (rezina naycha orqali) qo'shish kerak. Oziqlantirish tezligi trubkani siqish orqali nazorat qilinadi. Laboratoriya sharoitida yonilg'i xujayrasining ishlashi shunday ko'rinadi, uning kuchi tushunarli darajada kichik.

Video: Yoqilg'i xujayrasi yoki uyda abadiy batareya

Quvvatni oshirish uchun olimlar bu muammo ustida uzoq vaqt ishlamoqda. Metanol va etanol yoqilg'i xujayralari faol rivojlanish po'latida joylashgan. Ammo, afsuski, hozircha ularni amaliyotga tatbiq etishning iloji yo'q.

Nima uchun yonilg'i xujayrasi muqobil quvvat manbai sifatida tanlanadi

Yoqilg'i xujayrasi muqobil quvvat manbai sifatida tanlangan, chunki undagi vodorod yonishining yakuniy mahsuloti suvdir. Muammo faqat vodorod ishlab chiqarishning arzon va samarali usulini topishda. Vodorod generatorlari va yonilg'i xujayralari rivojlanishiga yo'naltirilgan ulkan mablag'lar o'z samarasini bera olmaydi, shuning uchun texnologik yutuq va ulardan kundalik hayotda haqiqiy foydalanish, faqat vaqt masalasi.

Bugungi kunda avtomobil sanoatining yirtqich hayvonlari: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard 50 kVtgacha quvvatga ega yonilg'i xujayralari bilan ishlaydigan avtobuslar va avtomobillarni namoyish etadi. Biroq, ularning xavfsizligi, ishonchliligi, narxi bilan bog'liq muammolar hali hal etilmagan. Yuqorida aytib o'tilganidek, an'anaviy quvvat manbalari - batareyalar va batareyalardan farqli o'laroq, bu holda oksidlovchi va yoqilg'i tashqi tomondan ta'minlanadi va yonilg'i xujayrasi yoqilg'ini yoqish va chiqarilgan energiyani elektr energiyasiga aylantirish uchun davom etayotgan reaktsiyada vositachi bo'ladi. . "Yonish" faqat agar element dizel elektr generatori kabi yukga oqim bersa, lekin generator va dizelsiz, shuningdek shovqin, tutun va qizib ketmasdan sodir bo'ladi. Shu bilan birga, samaradorlik ancha yuqori, chunki oraliq mexanizmlar mavjud emas.

Video: vodorod yonilg'i xujayrasi avtomobili

Nanotexnologiyalar va nanomateriallardan foydalanishga katta umidlar berilmoqda, bu yoqilg'i xujayralarini miniatyura qilishga yordam beradi, shu bilan birga ularning kuchini oshiradi. O'ta samarali katalizatorlar, shuningdek, membranalarga ega bo'lmagan yonilg'i xujayralari konstruktsiyalari yaratilgani haqida xabarlar bor. Ularda oksidlovchi bilan birga yoqilg'i (masalan, metan) elementga beriladi. Eritmalar qiziqarli, bu erda suvda erigan kislorod oksidlovchi vosita sifatida ishlatiladi va ifloslangan suvlarda to'plangan organik aralashmalar yoqilg'i sifatida ishlatiladi. Bular bioyoqilg'i xujayralari deb ataladi.

Yoqilg'i xujayralari, mutaxassislarning fikriga ko'ra, kelgusi yillarda ommaviy bozorga kirishi mumkin