自宅でDIY燃料電池。燃料電池

モバイル電子機器は、毎月ではないにしても、年々、よりアクセスしやすく、普及しています。ここには、ラップトップ、PDA、デジタルカメラ、携帯電話、その他の便利なデバイスとあまり役に立たないデバイスが数多くあります。そして、これらすべてのデバイスは常に新しい機能、より強力なプロセッサー、より大きなカラー画面、ワイヤレス通信を獲得しながら、同時にサイズも縮小しています。しかし、半導体技術とは異なり、このモバイル動物園全体の電源技術は飛躍的に進歩しているわけではありません。

従来の電池や充電式電池は、エレクトロニクス産業の最新の進歩を長期間にわたって実現するには明らかに不十分になりつつあります。また、信頼性が高く大容量のバッテリーがなければ、モバイル性とワイヤレス性のすべての点が失われます。そのため、コンピュータ業界はこの問題に対してますます積極的に取り組んでいます。 代替電源。そして今日ここで最も有望な方向性は、 燃料電池.

燃料電池の基本的な動作原理は、1839 年に英国の科学者ウィリアムグローブ卿によって発見されました。彼は「燃料電池」の父として知られています。ウィリアム・グローブは、水素と酸素を抽出するために改造することによって電気を生成しました。バッテリーを電解セルから外した後、グローブ氏は、電極が放出されたガスを吸収して電流を生成し始めたことに驚きました。プロセスを開く 水素の電気化学的「低温」燃焼このイベントはエネルギー業界で重要なイベントとなり、その後オストワルドやネルンストなどの有名な電気化学者が演奏しました。大きな役割燃料電池の理論的基礎と実用化の開発に貢献し、燃料電池の素晴らしい未来を予測しました。

自分自身 「燃料電池」という用語後に登場しました。これは、空気と石炭ガスから発電する装置を作成しようとしていたルートヴィヒモンドとチャールズランガーによって 1889 年に提案されました。

酸素中での通常の燃焼中に、有機燃料の酸化が発生し、燃料の化学エネルギーが非効率的に熱エネルギーに変換されます。しかし、電解質環境下で電極の存在下で、例えば水素と酸素の酸化反応を実行して電流を得ることが可能であることが判明した。たとえば、アルカリ媒体中にある電極に水素を供給すると、電子が得られます。

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

これは外部回路を通って反対側の電極に到達し、そこに酸素が流れ込み、そこで反応が起こります: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

結果として生じる反応 2H2 + O2 → H2O は従来の燃焼時と同じですが、燃料電池などで発生することがわかります。 電気化学発電機その結果、効率の高い電流が発生し、部分的に熱が発生します。なお、燃料電池では、石炭、一酸化炭素、アルコール、ヒドラジンなどの有機物を燃料として、空気、過酸化水素、塩素、臭素、硝酸などを酸化剤として使用することもできます。

燃料電池の開発は海外でもロシアでも、そしてソ連でも精力的に続けられた。燃料電池の研究に多大な貢献をした科学者の中には、V. ジャコ、P. ヤブロチコフ、F. ベーコン、E. バウアー、E. ジャスティ、K. コルデシュが挙げられます。前世紀半ばに、燃料電池の問題に対する新たな攻撃が始まりました。これは部分的には、防衛研究の結果として新たなアイデア、材料、技術が出現したことによるものです。

燃料電池の開発において大きな一歩を踏み出した科学者の一人が、P.M. スピリドノフでした。 スピリドノフの水素酸素元素電流密度は 30 mA/cm2 で、これは当時としては大きな成果と考えられていました。 1940 年代に、O. Davtyan は、石炭のガス化によって得られた発電機ガスを電気化学的に燃焼させるための設備を作成しました。要素体積 1 立方メートルごとに、Davtyan は 5 kW の電力を受け取りました。

そうだった 最初の固体電解質燃料電池。効率は高かったのですが、時間が経つと電解液が使用できなくなり、交換する必要がありました。その後、50 年代後半に Davtyan が作成されました。強力なインストール、トラクターを運転します。同じ年に、英国の技術者 T. ベーコンは、純水素と酸素で動作する総出力 6 kW、効率 80% の燃料電池バッテリーを設計、製造しましたが、出力重量比はバッテリーが小さすぎることが判明しました - そのような要素は用途に適していませんでした実用化そして高すぎる。

その後数年で、孤独な時代は終わりました。宇宙船の製作者たちは燃料電池に興味を持ち始めました。 60 年代半ば以来、燃料電池の研究には数百万ドルが投資されてきました。何千人もの科学者とエンジニアの働きにより、私たちは 1965 年に新たなレベルに到達することができました。燃料電池は米国でテストされています。宇宙船ジェミニ 5 号、そしてその後の月への飛行とシャトル計画のためのアポロ宇宙船。

ソ連では、同じく宇宙で使用するために燃料電池がNPOクヴァントで開発された。当時、すでに新しい素材が登場していました - イオン交換膜をベースとした固体高分子電解質、新しいタイプの触媒、電極。それでも、動作電流密度は 100 ～ 200 mA/cm2 の範囲と小さく、電極上の白金含有量は数 g/cm2 でした。耐久性、安定性、安全性に関して多くの問題がありました。

燃料電池の急速な開発の次の段階は 90 年代に始まりました。前世紀から今日まで続いています。これは、一方では化石燃料の燃焼による温室効果ガス排出量の増加という地球環境問題に関連し、他方ではそのような燃料の埋蔵量の枯渇に関連して、新たな効率的なエネルギー源の必要性が原因となっています。。燃料電池では水素燃焼の最終生成物は水であるため、環境への影響の点で最もクリーンであると考えられています。主な問題は、効果的で効果的な方法を見つけることです。安価な方法水素を得る。

燃料電池と水素発生装置の開発への数十億ドルの金融投資は、技術的な進歩につながり、日常生活での使用が現実になるはずです。携帯電話、自動車内、発電所内。すでにバラード、ホンダ、ダイムラー・クライスラー、ゼネラル・モーターズなどの自動車大手がデモを行っている。車 50kWの燃料電池を搭載したバスもある。多くの企業が開発した 固体酸化物電解質を使用した最大500kWの出力の燃料電池を使用した実証発電プラント。しかし、燃料電池の特性改善においては大きな進歩があったにもかかわらず、そのコスト、信頼性、安全性に関する多くの問題は依然として解決される必要があります。

燃料電池では、電池や蓄電池とは異なり、燃料と酸化剤の両方が外部から供給されます。燃料電池は反応を仲介するだけであり、理想的な条件下では事実上永久に動作し続ける可能性があります。この技術の優れている点は、セルが実際に燃料を燃焼させ、放出されたエネルギーを電気に直接変換することです。燃料が直接燃焼すると、燃料は酸素によって酸化され、放出された熱は有用な仕事を行うために使用されます。

燃料電池では、バッテリーと同様に、燃料の酸化と酸素の還元の反応が空間的に分離されており、「燃焼」プロセスは電池が負荷に電流を供給している場合にのみ発生します。まるで ディーゼル発電機、ディーゼルと発電機なしのみ。また、煙、騒音、過熱がなく、はるかに高い効率を実現します。後者は、第一に中間的なものが存在しないという事実によって説明されます。機械装置第二に、燃料電池は熱機関ではないため、カルノーの法則に従いません (つまり、燃料電池の効率は温度差によって決まりません)。

酸素は燃料電池の酸化剤として使用されます。また、空気中には十分な酸素があるため、酸化剤の供給を心配する必要もありません。燃料としては水素です。したがって、燃料電池内では次のような反応が起こります。

2H2 + O2 → 2H2O + 電気 + 熱。

その結果、有用なエネルギーと水蒸気が生まれます。構造的に最も単純なものは、 固体高分子型燃料電池(図 1 を参照)。これは次のように機能します。要素に入った水素は触媒の作用により電子と正に帯電した水素イオン H+ に分解されます。次に、特殊な膜が登場し、従来のバッテリーの電解質の役割を果たします。そのせいで化学組成陽子は通過できますが、電子は保持されます。したがって、アノードに蓄積された電子は過剰な負電荷を生成し、水素イオンはカソードに正電荷を生成します (素子の両端間の電圧は約 1V)。

高い出力を生み出すために、燃料電池は多数のセルから組み立てられます。要素を負荷に接続すると、電子がその要素を通ってカソードに流れ、電流が生成され、酸素による水素の酸化プロセスが完了します。このような燃料電池では、通常、炭素繊維上に堆積させた白金微粒子が触媒として使用されます。このような触媒はその構造上、ガスや電気をよく通過させます。膜は通常、硫黄含有ポリマーであるナフィオンから作られます。膜の厚さは10分の1ミリメートルです。もちろん反応中に熱も発生しますが、それほど多くはありません。作業温度 40〜80℃の範囲に維持されます。

図1。燃料電池の動作原理

他の種類の燃料電池もあり、主に使用される電解質の種類が異なります。それらのほとんどすべてが燃料として水素を必要とするため、どこで入手するかという論理的な疑問が生じます。もちろん、シリンダーからの圧縮水素を使用することも可能ですが、この可燃性の高いガスを高圧下で輸送および保管すると、すぐに問題が発生します。もちろん、金属水素化物電池のように、水素を結合した形で使用することもできます。しかし、水素燃料補給のためのインフラが存在しないため、水素を抽出して輸送するという課題は依然として残っています。

ただし、ここにも解決策があります。液体炭化水素燃料を水素源として使用できます。例えば、エチルアルコールまたはメチルアルコール。確かに、これにはすでに特別なことが必要です追加のデバイス- 燃料コンバーター付き高温（メタノールの場合、これはおよそ 240°C になります）アルコールをガス状の H2 と CO2 の混合物に変換します。しかしこの場合、携帯性について考えるのはすでにより困難です。このようなデバイスは据え置きで使用するのには適していますが、コンパクトなモバイル機器の場合は、それほどかさばらないものが必要です。

そしてここで、ほぼすべての人が恐るべき力を持って開発しているまさにそのデバイスにたどり着きます。最大の生産者エレクトロニクス - メタノール燃料電池(図2)。

図２．メタノール燃料電池の動作原理

水素燃料電池とメタノール燃料電池の基本的な違いは、使用される触媒です。メタノール燃料電池の触媒により、アルコール分子からプロトンを直接除去できます。したがって、燃料の問題は解決されます。メチルアルコールは化学産業用に大量生産されており、保管と輸送が簡単で、メタノール燃料電池を充電するには燃料カートリッジを交換するだけで十分です。確かに、メタノールには毒性があるという重大な欠点が 1 つあります。さらに、メタノール燃料電池の効率は水素燃料電池の効率よりも大幅に低くなります。

米。 3. メタノール燃料電池

最も魅力的な選択肢は、エチルアルコールを燃料として使用することです。なぜなら、あらゆる組成と強度のアルコール飲料の製造と流通が世界中で確立されているからです。しかし、残念ながら、エタノール燃料電池の効率はメタノール燃料電池の効率よりもさらに低いです。

燃料電池分野における長年の開発で注目されているように、さまざまなタイプの燃料電池が構築されてきました。 燃料電池は電解質と燃料の種類によって分類されます。

1. 固体高分子型水素酸素電解質。

2. 固体高分子型メタノール燃料電池。

3. アルカリ電解質電池。

4. リン酸燃料電池。

5. 溶融炭酸塩をベースとした燃料要素。

6. 固体酸化物型燃料電池。

理想的には、燃料電池の効率は非常に高いですが、実際の状況非平衡プロセスに関連する損失には、電解質と電極の比導電率による抵抗損失、活性化と濃度分極、拡散損失などがあります。その結果、燃料電池で生成されたエネルギーの一部が熱に変換されます。専門家の努力は、これらの損失を減らすことを目的としています。

抵抗損失の主な原因、および燃料電池の高価格の原因は、過フッ素化スルホン酸陽イオン交換膜です。現在、代替の安価なプロトン伝導性ポリマーの探索が進行中です。これらの膜（固体電解質）の導電率は水の存在下でのみ許容値（10 Ohm/cm）に達するため、燃料電池に供給されるガスはさらに加湿される必要があります。特別な装置これにより、システムのコストも増加します。触媒ガス拡散電極には主に白金やその他の貴金属が使用されており、これに代わるものは今のところ見つかっていません。燃料電池の白金含有量は数mg/cm2ですが、大型電池では数十gに達します。

燃料電池を設計するとき大きな注目高電流密度 (最大 1A/cm2) ではシステムの自己発熱が発生するため、熱除去システムに負荷がかかります。冷却には、特別なチャネルを通って燃料電池内を循環する水が使用され、低電力で空気が吹き付けられます。

そのため、最新の電気化学発電機システムには、燃料電池バッテリー自体に加えて、ポンプ、空気供給用のコンプレッサー、水素注入用、ガス加湿器、冷却ユニット、ガスなどの多くの補助装置が「増えすぎ」ています。漏れ監視システム、DC-ACコンバータ、制御プロセッサなど。これらすべてが、2004年から2005年の燃料電池システムのコストが2-3千ドル/kWだったという事実につながります。専門家によると、燃料電池は 50 ～ 100 ドル/kW の価格で輸送用発電所や定置式発電所で使用できるようになるという。

燃料電池を日常生活に導入するには、より安価なコンポーネントとともに、新しい製品を期待する必要があります。オリジナルのアイデアと近づいてきます。特にナノマテリアルやナノテクノロジーの利用には大きな期待が寄せられています。たとえば、最近いくつかの企業が、さまざまな金属のナノ粒子のクラスターに基づいた、特に酸素電極用の超効率的な触媒の作成を発表しました。さらに、液体燃料（メタノールなど）が酸化剤とともに燃料電池に供給される膜なし燃料電池設計の報告もある。また、汚染水中で動作し、酸化剤として溶存空気酸素を消費し、燃料として有機不純物を消費するバイオ燃料電池の開発コンセプトも興味深い。

専門家によると、燃料電池は今後数年のうちに大量市場に投入されるだろうという。そして実際、開発者は次々と勝利を収めています技術的な問題、成功について報告し、燃料電池のプロトタイプを紹介します。たとえば、東芝はメタノール燃料電池の完成したプロトタイプをデモしました。寸法は22x56x4.5mmで、約100mWの電力を生成します。 MP3 プレーヤーを 20 時間使用するには、濃縮 (99.5%) メタノール 2 キューブを 1 回補充するだけで十分です。東芝は携帯電話に電力を供給する商用燃料電池を発売した。繰り返しますが、同じ東芝は、275x75x40mm のラップトップに電力を供給するためのセルをデモンストレーションし、1 回の充電でコンピュータを 5 時間動作させることができました。

もう一つの日本企業、富士通も東芝に遠く及ばない。 2004 年には、30% メタノール水溶液中で動作する素子も導入しました。この燃料電池は 1 回の 300 ml の充電で 10 時間動作し、15 W の電力を生成しました。

カシオは、小型燃料コンバーターでメタノールを最初に H2 と CO2 の混合ガスに変換し、その後燃料電池に供給する燃料電池を開発しています。デモンストレーション中、カシオのプロトタイプはラップトップに 20 時間電力を供給しました。

サムスンは燃料電池の分野でも名を上げ、2004 年にはラップトップに電力を供給するように設計された 12 W のプロトタイプをデモンストレーションしました。一般に、サムスンは主に第 4 世代のスマートフォンで燃料電池を使用する予定です。

そう言わなければなりません日本企業一般に、私たちは燃料電池の開発に非常に慎重に取り組みました。 2003 年に遡ると、キヤノン、カシオ、富士通、日立、三洋電機、シャープ、ソニー、東芝などの企業が協力して、ラップトップ用の単一燃料電池規格を開発しました。携帯電話、PDA およびその他の電子機器。この市場には米国企業も多数存在するが、そのほとんどは軍との契約に基づいて活動し、米軍兵士の電化用の燃料電池を開発している。

ドイツもそれほど遅れをとっていません。スマート燃料電池会社は、モバイルオフィスに電力を供給するための燃料電池を販売しています。このデバイスはスマート燃料電池 C25 と呼ばれ、寸法は 150x112x65mm で、充填ごとに最大 140 ワット時を供給できます。これはラップトップに約 7 時間電力を供給するのに十分です。その後、カートリッジを交換して作業を続行できます。メタノールカートリッジのサイズは99×63×27mm、重さは150gです。システム自体の重さは1.1kgなので、完全にポータブルとは言えませんが、それでも完全に完成した便利なデバイスです。同社はプロ用ビデオカメラに電力を供給する燃料モジュールも開発中です。

一般に、燃料電池はモバイル電子機器市場にほぼ参入しています。メーカーは量産を開始する前に、最後の技術的問題を解決する必要があります。

まず、燃料電池の小型化という課題を解決する必要がある。結局のところ、燃料電池が小さくなればなるほど、生成できる電力は少なくなります。そのため、燃料電池の最大電力を可能にする新しい触媒と電極が常に開発されています。作業面。ここが便利です最新の開発ナノテクノロジーおよびナノ材料（ナノチューブなど）の分野。繰り返しになりますが、要素の配管 (燃料および水ポンプ、冷却および燃料変換システム) を小型化するために、マイクロエレクトロメカニクスの成果がますます利用されています。

2番重要な問題対処する必要があるのは価格です。結局のところ、ほとんどの燃料電池では非常に高価なプラチナが触媒として使用されています。繰り返しになりますが、一部のメーカーはすでに確立されたシリコン技術を最大限に活用しようとしています。

燃料電池の他の使用分野に関しては、エネルギー分野や輸送分野ではまだ主流になっていませんが、燃料電池はすでにかなり定着しています。すでに多くの自動車メーカーが燃料電池を搭載したコンセプトカーを発表しています。燃料電池バスは世界中のいくつかの都市で運行されています。 Canadian Ballard Power Systems は、1 ～ 250 kW の容量を持つさまざまな定置型発電機を製造しています。同時に、キロワット発電機は、1 つのアパートに電気、熱、温水を即座に供給できるように設計されています。

米国は、2020年までに燃料電池車を実用化し、燃料効率を高めるための水素燃料電池、インフラ、技術の開発を目的としたいくつかの取り組みを進めている。これらの目的には 10 億ドル以上が割り当てられています。

燃料電池は、環境を汚染することなく、静かかつ効率的に電気を生成します。環境。化石燃料を使用するエネルギー源とは異なり、燃料電池の副産物は熱と水です。使い方？

この記事では、現在の既存の燃料技術をそれぞれ簡単に説明し、燃料電池の設計と運用について説明し、他のエネルギー生産形式と比較します。また、燃料電池を実用化し、消費者にとって手頃な価格にする際に研究者が直面する障害についても説明します。

燃料電池は、 電気化学エネルギー変換装置。燃料電池は化学物質、水素と酸素を水に変換し、その過程で電気を生成します。

私たち全員がよく知っているもう 1 つの電気化学デバイスはバッテリーです。バッテリーには必要なものがすべて揃っています化学元素内部でこれらの物質を電気に変換します。これは、最終的にバッテリーが切れてしまい、廃棄するか、再度充電することを意味します。

燃料電池では、化学物質が継続的に供給されるため、燃料電池が「死滅」することはありません。化学物質がエレメントに入っている限り、電気が発生します。現在使用されている燃料電池のほとんどは水素と酸素を使用します。

水素は私たちの銀河系で最も豊富な元素です。しかし、水素は元素の形では地球上に実際には存在しません。エンジニアや科学者は、化石燃料や水などの水素化合物から純粋な水素を抽出する必要があります。これらの化合物から水素を取り出すには、熱または電気の形でエネルギーを消費する必要があります。

燃料電池の発明

ウィリアムグローブ卿は 1839 年に最初の燃料電池を発明しました。グローブは、水が通過することによって水素と酸素に分離できることを知っていました。電流それを通して（と呼ばれるプロセス）電解）。彼は次のように示唆した逆順電気と水が得られるようになりました。彼は原始的な燃料電池を作成し、それをこう呼びました ガスガルバニック電池。新しい発明を実験した後、グローブは仮説を証明しました。 50 年後、科学者のルートヴィヒモンドとチャールズランガーがこの用語を作りました。 燃料電池発電のための実用的なモデルを構築しようとするとき。

燃料電池は、都市発電所のガスタービンやエンジンなど、他の多くのエネルギー変換装置と競合します。内燃機関車だけでなく、あらゆる種類のバッテリーにも使用されます。ガスタービンなどの内燃機関は燃焼します。異なる種類燃料を供給し、ガスの膨張によって生じる圧力を利用して機械的仕事を行います。バッテリーは、必要に応じて化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。燃料電池はこれらのタスクをより効率的に実行する必要があります。

燃料電池は DC 電圧 ( DC）、電気モーター、照明、その他の電気製品に電力を供給するために使用できます。

いくつかありますさまざまな種類燃料電池はそれぞれ異なる化学プロセスを使用します。燃料電池は通常、次のように分類されます。 動作温度そして タイプ電解質、彼らが使っているもの。一部の種類の燃料電池は、定置型発電所での使用に適しています。他のものは、小型携帯機器や自動車への電力供給に役立つ可能性があります。燃料電池の主な種類は次のとおりです。

高分子交換膜燃料電池 (PEMFC)

PEMFC は、輸送用途の最も可能性の高い候補と考えられています。 PEMFC は、高出力と比較的低い動作温度 (摂氏 60 ～ 80 度の範囲) の両方を備えています。動作温度が低いということは、燃料電池がすぐに暖まって発電を開始できることを意味します。

固体酸化物形燃料電池（SOFC）

これらの燃料電池は、工場や都市に電力を供給できる大型定置型発電機に最適です。このタイプの燃料電池は非常に高温 (摂氏 700 ～ 1000 度) で動作します。一部の燃料電池は数回のオン/オフサイクル後に故障する可能性があるため、高温では信頼性の問題が生じます。ただし、固体酸化物型燃料電池は連続運転中非常に安定しています。実際、SOFC は、特定の条件下では燃料電池の中で最長の動作寿命を示しています。高温には、燃料電池によって生成された蒸気がタービンに送られ、より多くの電力を生成できるという利点もあります。このプロセスはと呼ばれます 熱と電気のコージェネレーションシステム全体の効率が向上します。

アルカリ燃料電池（AFC）

これは燃料電池の最も古い設計の 1 つであり、1960 年代から使用されています。 AFC は純粋な水素と酸素を必要とするため、汚染の影響を非常に受けやすいです。さらに、非常に高価であるため、このタイプの燃料電池は量産される可能性が低いです。

溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）

SOFC と同様に、これらの燃料電池も大規模な定置型発電所や発電機に最適です。摂氏 600 度で動作するため、蒸気を生成でき、その蒸気を利用してさらに多くのエネルギーを生成できます。固体酸化物形燃料電池よりも動作温度が低いため、そのような耐熱材料が必要ありません。これにより、少し安くなります。

リン酸型燃料電池（PAFC）

リン酸形燃料電池小型の定置型電力システムで使用できる可能性があります。高分子交換膜型燃料電池に比べて高温で動作するため、暖機に時間がかかり、自動車用途には不向きです。

ダイレクトメタノール燃料電池（DMFC）

メタノール燃料電池は動作温度の点では PEMFC に匹敵しますが、効率はそれほど高くありません。さらに、DMFC は触媒としてかなりの量の白金を必要とするため、燃料電池が高価になります。

高分子交換膜を用いた燃料電池

高分子交換膜燃料電池 (PEMFC) は、最も優れたものの 1 つです。有望な技術燃料電池。 PEMFC は、燃料電池の中で最も単純な反応の 1 つを使用します。それが何で構成されているか見てみましょう。

1. あ ノード – 燃料電池のマイナス端子。水素分子から放出された電子を伝導し、その後外部回路で使用できるようになります。溝が刻まれており、そこを通って水素ガスが触媒の表面に均一に分配されます。

2.に アソード - 燃料電池のプラス端子には、触媒の表面に酸素を分配するためのチャネルもあります。また、触媒の外部回路から電子を伝導して戻し、そこで水素および酸素イオンと結合して水を形成することができます。

3.電解質-プロトン交換膜。これは、正に帯電したイオンのみを伝導し、電子をブロックする特別に処理された材料です。 PEMFC では、適切に機能し安定性を保つために膜が水和されている必要があります。

4. 触媒酸素と水素の反応を促進する特殊な素材です。これは通常、カーボン紙または布地に非常に薄く塗布されたプラチナナノ粒子から作られています。触媒は次のような表面構造を持っています。最大面積プラチナの表面は水素や酸素にさらされる可能性があります。

この図は、アノード側から圧力を受けて燃料電池に入る水素ガス (H2) を示しています。 H2 分子が触媒上の白金と接触すると、2 つの H+ イオンと 2 つの電子に分裂します。電子はアノードを通過し、そこで外部回路で使用され（モーターを回転させるなどの有用な仕事を行います）、燃料電池のカソード側に戻ります。

一方、燃料電池のカソード側では、空気からの酸素 (O2) が触媒を通過し、そこで 2 つの酸素原子が形成されます。これらの原子はそれぞれ強い負の電荷を持っています。この負電荷は膜を越えて 2 つの H+ イオンを引き寄せ、そこで酸素原子および外部回路から来る 2 つの電子と結合して水分子 (H2O) を形成します。

単一の燃料電池でのこの反応では、わずか約 0.7 ボルトしか生成されません。電圧を妥当なレベルまで上げるには、多数の個別の燃料電池を組み合わせて燃料電池スタックを形成する必要があります。バイポーラプレートは、1 つの燃料電池を別の燃料電池に接続するために使用され、酸化を受けて電位を低下させます。バイポーラプレートの大きな問題は、その安定性です。金属バイポーラプレートは腐食する可能性があり、副生成物（鉄やクロムイオン）により燃料電池の膜や電極の効率が低下します。したがって、低温燃料電池では、軽金属、グラファイト、炭素と熱硬化性樹脂（熱硬化性樹脂は、高温にさらされても固体のままであるプラスチックの一種です）の複合材料をバイポーラシート材料の形で使用します。

燃料電池効率

汚染を軽減することは、燃料電池の主な目標の 1 つです。燃料電池で駆動する自動車を、ガソリンエンジンで駆動する自動車およびバッテリーで駆動する自動車と比較すると、燃料電池が自動車の効率をどのように向上させることができるかがわかります。

3 つのタイプの車はすべて同じコンポーネントを多く備えているため、車のこの部分を無視して、機械的エネルギーが生成される点までの有用な動作を比較します。まずは燃料電池車から。

燃料電池が純粋な水素で駆動される場合、その効率は最大 80% になります。したがって、水素のエネルギー内容の 80 パーセントが電気に変換されます。しかし、それでも電気エネルギーを機械的仕事に変換する必要があります。これは電気モーターとインバーターによって実現されます。モーター＋インバーターの効率も約80％です。これにより、全体の効率は約 80*80/100=64 パーセントになります。ホンダのFCXコンセプトカーのエネルギー効率は60％だと伝えられている。

燃料源が純粋な水素の形態ではない場合、車両には改質装置も必要になります。改質器は炭化水素またはアルコール燃料を水素に変換します。熱を発生し、水素に加えて CO と CO2 も生成します。生じた水素を精製するためにさまざまな装置が使用されていますが、この精製は不十分であり、燃料電池の効率を低下させます。そこで研究者らは、水素の製造と貯蔵に伴う課題にもかかわらず、純粋な水素を燃料とする車両用の燃料電池に焦点を当てることにした。

ガソリンエンジンとバッテリー電気自動車の効率

ガソリンを燃料とする自動車の効率は驚くほど低いです。ラジエーターによって排出または吸収される熱はすべて無駄なエネルギーです。また、エンジンは、エンジンの動作を維持するためのさまざまなポンプ、ファン、発電機を駆動するために多くの電力を使用します。したがって、自動車の効率を最大限に高めることができます。ガソリンエンジン約20パーセントです。したがって、ガソリンに含まれる熱エネルギーのわずか約 20 パーセントが機械的仕事に変換されます。

バッテリー駆動の電気自動車はかなり高い効率を持っています。バッテリーの効率は約 90% (ほとんどのバッテリーはある程度の熱を発生するか、加熱が必要です)、モーター + インバーターの効率は約 80% です。これにより、全体の効率は約 72% になります。

しかし、それだけではありません。電気自動車が動くためには、まずどこかで電気を発生させなければなりません。 (原子力、水力、太陽光、風力ではなく) 化石燃料の燃焼プロセスを使用する発電所の場合、発電所で消費される燃料の約 40% のみが電気に変換されます。さらに、車の充電プロセスでは、交流 (AC) 電力を直流 (DC) 電力に変換する必要があります。このプロセスの効率は約 90% です。

さて、サイクル全体を見ると、電気自動車の効率は車両自体の効率が 72%、発電所の効率が 40%、車両の充電効率が 90% になります。これにより、全体の効率は 26% になります。全体的な効率は、バッテリーの充電にどの発電所が使用されるかによって大きく異なります。たとえば、自動車の電力が水力発電所から供給されている場合、電気自動車の効率は約 65% になります。

科学者たちは、燃料電池の効率を向上し続けるために設計を研究および改善しています。新しいアプローチの 1 つは、燃料電池とバッテリー駆動の車両を組み合わせることです。燃料電池を動力源とするハイブリッドパワートレインを搭載したコンセプト車両が開発されています。リチウム電池を使用して車に電力を供給し、燃料電池が電池を充電します。

燃料電池自動車は、化石燃料を使用しない発電所から充電されるバッテリー駆動の自動車と同じくらい効率的である可能性があります。しかし、そのような可能性を実現することは現実的であり、アクセス可能な方法で難しいかもしれない。

なぜ燃料電池を使用するのでしょうか?

主な理由は石油に関するものです。アメリカは石油の60パーセント近くを輸入しなければならない。 2025 年までに輸入は 68% に増加すると予想されています。アメリカ人は毎日3分の2の石油を輸送に使用しています。たとえ路上のすべての車がハイブリッドカー 2025年までに、米国は2000年に米国人が消費したのと同じ量の石油を使用する必要がある。実際、アメリカは世界人口のわずか 4.6% しか住んでいないにもかかわらず、世界で生産される石油の 4 分の 1 を消費しています。

専門家らは、安価な供給源が減少するため、原油価格は今後数十年間上昇し続けると予想している。石油会社はますます困難な条件で油田を開発する必要があり、これにより原油価格が上昇します。

懸念は経済安全保障をはるかに超えて広がっています。石油の販売から得られる多額の資金は、国際テロリズム、過激政党、産油地域の不安定な状況の支援に費やされています。

石油やその他の化石燃料をエネルギーとして使用すると、汚染が生じます。エネルギーとして化石燃料を燃やすことに代わる方法を見つけることが誰にとっても最善です。

燃料電池は、石油依存に代わる魅力的な選択肢です。燃料電池は汚染ではなく生成するきれいな水副産物として。技術者たちは一時的に、ガソリンやガソリンなどのさまざまな化石資源から水素を製造することに注力してきましたが、天然ガスは、将来的に水素を生成する再生可能で環境に優しい方法を模索しています。最も有望なのは、当然のことながら、水から水素を製造するプロセスです。

石油依存と地球温暖化 - 国際問題。いくつかの国が共同して燃料電池技術の研究開発の推進に取り組んでいます。

燃料電池が代替品となるまでに、科学者とメーカーがやるべきことがたくさんあることは明らかです現代の手法エネルギー生産。しかし、世界的な支援と世界的な協力があれば、実行可能な燃料電池発電システムはわずか数十年以内に実現する可能性があります。

燃料電池は、化学反応を通じて水素と酸素を電気に変換する電気化学エネルギー変換装置です。このプロセスの結果、水が形成され、大量の熱が放出されます。燃料電池は、充電して蓄えた電気エネルギーを使用できるバッテリーに非常に似ています。
ウィリアム R. グローブは、1839 年に燃料電池を発明した発明者と考えられています。この燃料電池では、硫酸溶液が電解質として使用され、水素が燃料として使用され、水素が酸素と結合しました。酸化剤。最近まで、燃料電池は研究室と宇宙船でのみ使用されていたことに注意してください。
将来的には、燃料電池は他の多くのエネルギー変換システム（以下を含む）と競合できるようになります。ガスタービン発電所）車の内燃エンジン、携帯機器の電池など。内燃機関は燃料を燃焼させ、燃焼ガスの膨張によって生成される圧力を利用して次のような動作を行います。機械的な仕事。バッテリーは電気エネルギーを貯蔵し、それを化学エネルギーに変換し、必要に応じて電気エネルギーに戻すことができます。燃料電池は潜在的に非常に効率的です。 1824 年にフランスの科学者カルノーは、内燃機関の圧縮膨張サイクルでは熱エネルギー (燃焼燃料の化学エネルギー) から機械エネルギーへの変換効率が 50% を超えることを保証できないことを証明しました。燃料電池には可動部品がないため (少なくともセル自体には)、カルノーの法則に従いません。当然のことながら、効率は 50% を超え、特に低負荷時に効果を発揮します。したがって、燃料電池車は、燃料電池車よりも燃料効率が高くなる（そしてすでに証明されている）ようになっています。普通車実際の運転状況では。
燃料電池は電流を生成します直流電圧、車両内の電気モーター、照明、その他の電気システムの駆動に使用できます。燃料電池にはいくつかの種類があり、使用される種類が異なります。化学プロセス。燃料電池は通常、使用する電解質の種類によって分類されます。燃料電池の種類によっては、発電所の推進に有望なものもあれば、小型の携帯機器や自動車の動力として役立つものもあります。
アルカリ燃料電池は、最初に開発された電池の 1 つです。これらは 1960 年代から米国の宇宙計画で使用されてきました。このような燃料電池は汚染の影響を非常に受けやすいため、非常に純粋な水素と酸素を必要とします。また、非常に高価であるため、このタイプの燃料電池は自動車には普及しない可能性があります。
リン酸ベースの燃料電池は、定置型の低電力設備に応用できます。かなりの高温で動作するため、ウォームアップに時間がかかり、自動車での使用には効果的ではありません。
固体酸化物型燃料電池は、工場や工場に電力を供給できる大型定置型発電機に適しています。和解。このタイプの燃料電池は、非常に高い温度 (約 1000 °C) で動作します。動作温度が高いと特定の問題が生じますが、その一方で、燃料電池によって生成された蒸気をタービンに送ってより多くの電力を生成できるという利点もあります。全体として、これによりシステム全体の効率が向上します。
最も有望なシステムの 1 つは、固体高分子型燃料電池 (PEMFC - 固体高分子型燃料電池) です。現在、このタイプの燃料電池は、自動車、バス、その他の車両に電力を供給できるため、最も有望です。

燃料電池における化学プロセス

燃料電池は、電気化学プロセスを使用して、空気から得た酸素と水素を結合させます。のように電池燃料電池は、電解質 (導電性媒体) 内の電極 (固体導電体) を使用します。水素分子が負極 (アノード) に接触すると、負極は陽子と電子に分離されます。プロトンはプロトン交換膜 (POEM) を通過して燃料電池の正極 (カソード) に到達し、電気を生成します。水素分子と酸素分子の化学結合が起こり、この反応の副産物として水が形成されます。燃料電池からの唯一の排出物は水蒸気です。
燃料電池で生成された電気は、車両の電動パワートレイン (電力変換器と電力変換器で構成) で使用できます。非同期モーター交流）車両を駆動するための機械エネルギーを生成します。電力変換器の仕事は、燃料電池によって生成された直流電流を電流に変換することです。交流電流、車両のトラクションモーターが動作します。

プロトン交換膜を備えた燃料電池の図:
1 - アノード;
2 - プロトン交換膜 (PEM);
3 - 触媒 (赤);
4 - カソード

固体高分子型燃料電池 (PEMFC) は、燃料電池の中で最も単純な反応の 1 つを使用します。

単セル燃料電池

燃料電池がどのように動作するかを見てみましょう。燃料電池の負極であるアノードは、水素分子から解放された電子を伝導し、外部電気回路で使用できるようにします。これを行うために、触媒にチャネルが刻まれ、水素が触媒の表面全体に均一に分布します。カソード (燃料電池の正極) には、触媒の表面全体に酸素を分配するエッチングされたチャネルがあります。また、電子を外側のループ (回路) から触媒に戻し、そこで水素イオンおよび酸素と結合して水を形成します。電解質はプロトン交換膜です。これは通常のプラスチックに似た特殊な素材ですが、正に帯電したイオンを通過させ、電子の通過を阻止する機能を持っています。
触媒は、酸素と水素の反応を促進する特別な物質です。触媒は通常、カーボン紙または布に非常に薄い層で塗布されたプラチナ粉末から作られます。触媒は、その表面が水素および酸素と最大限に接触できるように、粗くて多孔質でなければなりません。触媒の白金でコーティングされた側は、プロトン交換膜 (PEM) の前に位置します。
水素ガス (H2) は、アノードからの圧力下で燃料電池に供給されます。 H2 分子が触媒上の白金と接触すると、2 つのイオン (H+) と 2 つの電子 (e-) の 2 つの部分に分割されます。電子はアノードを通って伝導され、そこで外部ループ (回路) を通過して、役に立つ仕事（例えば、電気モーターを駆動する）燃料電池のカソード側から戻ります。
一方、燃料電池のカソード側では、酸素ガス (O2) が触媒を通過し、そこで 2 つの酸素原子が形成されます。これらの原子はそれぞれ強い負電荷を持っており、膜を介して 2 つの H+ イオンを引きつけ、酸素原子および外部回路からの 2 つの電子と結合して水分子 (H 2 O) を形成します。
単一の燃料電池でのこの反応により、約 0.7 W の電力が生成されます。出力を必要なレベルまで高めるには、多数の個別の燃料電池を組み合わせて燃料電池スタックを形成する必要があります。
POM 燃料電池は比較的低温 (約 80°C) で動作するため、すぐに動作温度まで上げることができ、電源を必要としません。高価なシステム冷却。これらの電池で使用される技術と材料の継続的な改良により、その出力は、車のトランクの小さな部分を占めるこのような燃料電池のバッテリーが車の駆動に必要なエネルギーを供給できるレベルに近づいてきました。
過去数年にわたり、世界の大手自動車メーカーのほとんどは、燃料電池を使用する車両設計の開発に多額の投資を行ってきました。非常に高価ではありましたが、満足のいく出力と性能特性を備えた燃料電池自動車がすでに多く実証されています。
このような自動車の設計の改善には非常に重点が置かれています。

燃料電池車は車両床下に発電所を設置

NECAR V 車両は、メルセデス・ベンツ Aクラス、発電所全体と燃料電池が車の床下に設置されています。この設計ソリューションにより、車内に 4 人の乗客と荷物を収容できるようになります。ここでは、水素ではなくメタノールが自動車の燃料として使用されます。メタノールは、改質装置（メタノールを水素に変換する装置）を使用して、燃料電池の駆動に必要な水素に変換されます。自動車に搭載された改質装置を使用すると、ほぼすべての炭化水素を燃料として使用できるため、既存のガソリンスタンドネットワークを利用して燃料電池車に燃料を補給することができます。理論的には、燃料電池は電気と水しか生成しません。燃料（ガソリンまたはメタノール）を燃料電池に必要な水素に変換すると、そのような自動車の環境への魅力が若干低下します。
ホンダは1989年から燃料電池に携わっており、2003年に少量生産した。ホンダ車バラード膜型固体高分子型燃料電池を搭載したFCX-V4。これらの燃料電池は 78 kW を生成します電力、そして駆動輪を駆動するために使用されますトラクションモーター出力 60 kW、トルク 272 Nm の燃料電池車は、従来の自動車と比較して質量が約 40% 少ないため、優れた動力性能が得られ、圧縮水素の貯蔵により、さまざまな走行が可能になります。最大355km。

Honda FCXは、燃料電池で発電した電気エネルギーを利用して走行します。
ホンダ FCX は、米国で政府認証を取得した世界初の燃料電池車です。この車は ZEV (ゼロ・エミッション・ビークル) 基準に従って認定されています。ホンダはこれらの車をまだ販売するつもりはないが、1台あたり約30台の車をリースしている。水素燃料補給インフラがすでに存在するカリフォルニアと東京。

ゼネラルモーターズのHy Wireコンセプト車両には燃料電池パワートレインが搭載されている

ゼネラルモーターズは、燃料電池車の開発と製造について広範な研究を行っています。

ハイワイヤー車のシャーシ

作成中コンセプトカー GM Hy Wire は 26 件の特許を取得しています。車の基礎となるのは、厚さ150 mmの機能的なプラットフォームです。プラットフォーム内には、水素ボンベ、燃料電池発電所、および車両制御システムが搭載されています。最新技術電子制御ワイヤーで。 Hy Wire 車両のシャーシは、車両構造のすべての主要要素 (水素タンク、燃料電池、バッテリー、電気モーター、制御システム) を収容する薄いプラットフォームです。この設計アプローチにより、同社は経験豊富なテストを実行中に車体を変更することも可能になります。オペル車燃料電池に関する研究と燃料電池製造プラントの設計を行っています。

「安全」な液化水素燃料タンクの設計:
1 - 充填装置;
2 - 外部タンク。
3 - サポートします。
4 - レベルセンサー。
5 - 内部タンク。
6 - 充填ライン。
7 - 断熱と真空。
8 - ヒーター。
9 - 取り付けボックス

自動車の燃料として水素を使用する問題は大きな注目を集めています。 BMW社。 BMWは、宇宙探査における液化水素の利用で有名なマグナ・ステイヤー社と共同で、自動車で使用できる液化水素用の燃料タンクを開発した。

液体水素燃料タンクの使用の安全性が試験により確認されています

同社は標準的な方法を使用して構造の安全性に関する一連の試験を実施し、その信頼性を確認しました。
2002 年、フランクフルトアムマイン (ドイツ) のモーターショーで車が展示されました。ミニ・クーパー液化水素を燃料とする水素。燃料タンクこの車は通常のガソリンタンクと同じスペースを占有します。この自動車の水素は燃料電池ではなく、内燃機関の燃料として使用されます。

バッテリーの代わりに燃料電池を搭載した世界初の量産車

2003 年、BMW は燃料電池を搭載した最初の量産車、BMW 750 hL の生産を発表しました。従来のバッテリーの代わりに燃料電池バッテリーが使用されます。この車は水素で作動する 12 気筒内燃エンジンを搭載しており、燃料電池は従来のバッテリーの代替として機能するため、エンジンを作動させずに長時間駐車している場合でも、エアコンやその他の電気消費者を作動させることができます。

水素充填はロボットが行い、ドライバーは関与しません

同じBMW会社はロボットも開発しましたガソリンポンプ、液化水素を車に迅速かつ安全に給油します。
出演ここ数年代替燃料や代替燃料を使用した自動車の開発を目的とした多数の開発発電所は、過去 1 世紀にわたって自動車の主流を占めてきた内燃エンジンが、最終的にはよりクリーンで、より効率的で、より静かな設計に取って代わられることを示唆しています。現在、その普及は技術的なものではなく、経済的および社会的問題によって制約されています。それらを広く使用するには、代替燃料の生産開発、新しい燃料の作成と流通のための一定のインフラを構築する必要があります。ガソリンスタンドそして多くの心理的障壁を克服する必要があります。車両燃料として水素を使用するには、厳重な安全対策を講じて、保管、配送、流通の問題に対処する必要があります。
水素は理論的には無限に入手可能ですが、その生産には非常に多くのエネルギーが必要です。さらに、自動車を水素燃料で走行できるようにするには、電力システムに 2 つの大きな変更を加える必要があります。1 つは動作をガソリンからメタノールに切り替え、次に一定期間をかけて水素に切り替えることです。この問題が解決されるまでにはしばらく時間がかかります。

燃料電池（ 燃料電池）は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。原理的には従来の電池と似ていますが、その動作には電気化学反応を起こすために外部からの物質の継続的な供給が必要であるという点が異なります。水素と酸素が燃料電池に供給され、電気、水、熱が出力されます。それらの利点には、環境への優しさ、信頼性、耐久性、操作の容易さが含まれます。従来のバッテリーとは異なり、電気化学コンバーターは、燃料が供給されている限り事実上無期限に動作できます。まで何時間も充電する必要はありません。完全に充電された。さらに、エンジンを停止して車を駐車している間も、セル自体がバッテリーを充電できます。

水素自動車で最も広く使用されている燃料電池は、陽子膜燃料電池 (PEMFC) と固体酸化物燃料電池 (SOFC) です。

固体高分子型燃料電池は次のように動作します。アノードとカソードの間には、特殊な膜と白金でコーティングされた触媒があります。水素はアノードに供給され、酸素（例えば空気から）がカソードに供給される。アノードでは、水素は触媒の助けを借りてプロトンと電子に分解されます。水素陽子は膜を通過してカソードに到達し、電子は外部回路に転送されます (膜は電子の通過を許可しません)。このようにして得られた電位差により電流が発生します。カソード側では、水素プロトンが酸素によって酸化されます。その結果、主成分である水蒸気が発生します。排ガス車。 PEM セルは高効率を備えていますが、重大な欠点が 1 つあります。その動作には純粋な水素が必要であり、その貯蔵にはかなり深刻な問題があります。

これらの電池の高価なプラチナに代わるそのような触媒が発見されれば、発電用の安価な燃料電池がすぐに作成され、これは世界が石油依存から解放されることを意味します。

固体酸化物電池

固体酸化物 SOFC セルは、燃料の純度に対する要求がはるかに低いです。さらに、POX改質装置（部分酸化）の使用により、このような電池は燃料としてレギュラーガソリンを消費できます。ガソリンを直接電気に変換するプロセスは次のとおりです。特別な装置である改質装置では、約800℃の温度でガソリンが蒸発し、その構成要素に分解されます。

これにより、水素と二酸化炭素が放出されます。さらに、温度の影響下でも、SOFC (酸化ジルコニウムをベースとした多孔質セラミック材料からなる) を直接使用すると、水素は空気中の酸素によって酸化されます。ガソリンから水素を取得した後、プロセスは上記のシナリオに従って続行されますが、唯一の違いは、SOFC 燃料電池は、水素で動作する装置とは異なり、元の燃料中の不純物の影響を受けにくいことです。したがって、ガソリンの品質が燃料電池の性能に影響を与えることはありません。

SOFC の動作温度が高い (650 ～ 800 度) という大きな欠点は、ウォームアッププロセスに約 20 分かかります。しかし、余分な熱は、残りの空気と、改質器と燃料電池自体によって生成される排気ガスによって完全に除去されるため、問題にはなりません。これにより、SOFC システムを次のような形で自動車に組み込むことができます。独立したデバイス断熱ハウジング内。

モジュラー構造により、一連の標準セルを直列に接続することで必要な電圧を実現できます。そして、おそらくこのようなデバイスの実装の観点から最も重要なことは、SOFC には非常に高価な白金ベースの電極が含まれていないことです。これらの要素のコストが高いことが、PEMFC 技術の開発と普及における障害の 1 つとなっています。

燃料電池の種類

現在、次の種類の燃料電池があります。

A.F.C.– アルカリ燃料電池（アルカリ燃料電池）;
PAFC– リン酸燃料電池（リン酸燃料電池）;
PEMFC– 固体高分子型燃料電池（固体高分子型燃料電池）
DMFC– 直接メタノール燃料電池 (メタノールを直接分解する燃料電池);
MCFC– 溶融炭酸塩燃料電池（溶融炭酸塩燃料電池）;
SOFC– 固体酸化物形燃料電池（固体酸化物形燃料電池）。

燃料電池 (電気化学発電機) は効率が高く、耐久性があり、信頼性が高く、環境に優しいですクリーンメソッドエネルギーを得るということ。当初、電気化学発電機は宇宙産業でのみ使用されていましたが、現在では、携帯電話やラップトップの電源、自動車のエンジン、建物の自律型電源、定置型発電所など、さまざまな分野で使用されることが増えています。これらのデバイスの中には、実験室のプロトタイプとして動作するものもありますが、デモンストレーション目的で使用されたり、生産前テストが行われているものもあります。ただし、多くのモデルはすでに商業プロジェクトで使用されており、量産されています。

デバイス

燃料電池は、既存の化学エネルギーを電気エネルギーに高い変換率で提供できる電気化学デバイスです。

燃料電池デバイスには、次の 3 つの主要な部品が含まれています。

発電セクション。
CPU;
変圧器。

燃料電池の主要部分は発電部であり、個々の燃料電池から構成される電池です。燃料電池の電極構造には白金触媒が含まれています。これらのセルを使用して、定電流が生成されます。

これらのデバイスの 1 つは次の特性を備えています。155 ボルトの電圧で 1400 アンペアが生成されます。バッテリーの寸法は、幅と高さが 0.9 メートル、長さが 2.9 メートルです。その電気化学プロセスは 177 °C の温度で実行されるため、起動時のバッテリーの加熱と動作中の熱除去が必要です。この目的のために、燃料電池には別の水回路が組み込まれ、バッテリーには特別な冷却プレートが装備されています。

燃料プロセスでは、天然ガスを電気化学反応に必要な水素に変換します。燃料処理装置の主要な要素は改質装置です。その中で、天然ガス (または他の水素含有燃料) は次の点で相互作用します。高血圧触媒であるニッケルの作用下で水蒸気を伴う高温（約900℃）。

改質器の必要な温度を維持するためにバーナーがあります。改質に必要な蒸気は凝縮水から生成されます。燃料電池バッテリーでは不安定な直流電流が発生し、それを変換するために電圧コンバータが使用されます。

電圧コンバータブロックには次のものもあります。

制御装置。
さまざまな障害時に燃料電池を停止する安全インターロック回路。

動作原理

最も単純なプロトン交換膜セルは、アノードとカソード、およびカソードとアノード触媒の間に配置されたポリマー膜で構成されています。高分子膜は電解質として使用されます。

プロトン交換膜は薄い固体のように見えます有機化合物厚みが小さい。この膜は水の存在下では電解質として機能し、物質をマイナスに帯電したイオンとプラスに帯電したイオンに分離します。
酸化はアノードで始まり、還元はカソードで起こります。 PEM セルのカソードとアノードは、白金と炭素粒子の混合物である多孔質材料でできています。白金は触媒として働き、解離反応を促進します。カソードとアノードは、酸素と水素が自由に通過できるように多孔質に作られています。
アノードとカソードは 2 枚の金属板の間に配置され、酸素と水素をカソードとアノードに供給し、電気エネルギー、熱、水を除去します。
プレート内のチャネルを通って、水素分子はアノードに入り、そこで分子は原子に分解されます。
触媒の影響下での化学吸着の結果、水素原子は正に帯電した水素イオン H+、つまりプロトンに変換されます。
プロトンは膜を通ってカソードに拡散し、電子の流れは特別な外部電気回路を通ってカソードに流れます。負荷、つまり電気エネルギーの消費者が接続されています。
カソードに供給される酸素は、露出すると、外部電気回路からの電子およびプロトン交換膜からの水素イオンと化学反応を起こします。この化学反応の結果、水が現れます。

他のタイプの燃料電池で起こる化学反応（たとえば、酸性電解質を使用した場合）リン酸 H3PO4) は、プロトン交換膜を備えたデバイスの反応と完全に同じです。

種類

現在、使用される電解質の組成が異なるいくつかのタイプの燃料電池が知られています。

オルトリン酸またはリン酸に基づく燃料電池 (PAFC、リン酸燃料電池)。
陽子交換膜を備えたデバイス (PEMFC、陽子交換膜燃料電池)。
固体酸化物形燃料電池 (SOFC、固体酸化物形燃料電池)。
溶融炭酸塩をベースとした電気化学発電機 (MCFC、溶融炭酸塩燃料電池)。

現在、PAFC 技術を使用した電気化学発電機がより普及しています。

応用

現在、燃料電池は再利用可能な宇宙船であるスペースシャトルで使用されています。 12 W ユニットを使用します。宇宙船上のすべての電気は彼らによって生成されます。電気化学反応中に生成される水は、機器の冷却などの飲料に使用されます。

電気化学発電機は、再利用可能な宇宙船であるソ連のブランに電力を供給するためにも使用されました。

燃料電池は民間部門でも使用されています。

5 ～ 250 kW 以上の定置型設備。これらは、工業用、公共用、住宅用の建物への熱と電力の自律供給源、非常用電源とバックアップ電源、無停電電源装置として使用されます。
1 ～ 50 kW の出力を持つポータブルユニット。宇宙衛星や宇宙船などに使われています。インスタンスは、ゴルフカート、車椅子、鉄道および貨物用冷蔵庫、道路標識用に作成されます。
電力 25 ～ 150 kW の移動式設備。自動車やその他の車両を含む軍艦や潜水艦で使用され始めています。車両。プロトタイプは、ルノー、ネオプラン、トヨタ、フォルクスワーゲン、ヒュンダイ、日産、VAZ、ゼネラルモーターズ、ホンダ、フォードなどの自動車大手によってすでに作成されています。
1 ～ 500 W の電力を持つマイクロデバイス。先進的なポケットコンピュータ、ラップトップ、家庭用などに応用されています。電子デバイス、携帯電話、現代の軍事機器。

特徴

各燃料電池内の化学反応からのエネルギーの一部は熱として放出されます。要冷蔵。外部回路では、電子の流れにより、仕事を行うために使用される直流電流が生成されます。水素イオンの移動を止めたり、外部回路を開くと化学反応が止まります。
燃料電池が生み出す電気の量は、ガスの圧力、温度、幾何学的寸法、および燃料電池の種類によって決まります。反応によって生成される電気の量を増やすために、燃料電池を大きくすることができますが、実際にはいくつかのセルが使用され、それらを組み合わせてバッテリーが形成されます。
一部の種類の燃料電池では、化学プロセスを逆転させることができます。つまり、電極に電位差が印加されると、水は酸素と水素に分解され、それらは多孔質電極上に収集されます。負荷がオンになると、このような燃料電池は電気エネルギーを生成します。

展望

現在、電気化学発電機を主エネルギー源として使用するには、多額の初期費用が必要です。高い導電率を備えたより安定した膜、効率的で安価な触媒、代替水素源の導入により、燃料電池は経済的に非常に魅力的なものとなり、あらゆる場所で導入されるようになるでしょう。

車は燃料電池で動くようになるでしょう。内燃機関はまったく使われなくなります。エネルギー源としては水や固体の水素が使われます。給油は簡単かつ安全で、発生するのは水蒸気のみで環境に優しい運転になります。
すべての建物には独自のポータブル燃料電池発電機が設置されます。
電気化学発電機はすべてのバッテリーに取って代わり、あらゆる電子機器や家庭用電化製品に搭載されることになります。

長所と短所

それぞれのタイプの燃料電池には、独自の欠点と利点があります。一部の需要高品質燃料を使用するものや、設計が複雑で高い動作温度を必要とするものもあります。

一般に、燃料電池には次の利点があります。

環境の安全性。
電気化学発電機は充電する必要がありません。
電気化学発電機は常にエネルギーを生成でき、外部条件を気にしません。
拡張性と移植性の柔軟性。

欠点としては次のようなものがあります。

燃料の保管と輸送に関する技術的問題。
デバイスの不完全な要素: 触媒、膜など。

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