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燃料電池。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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水素酸素燃料電池は、1838 年にイギリスの科学者 W. グローブによって発見されました。彼は水の水素と酸素への分解を研究し、電解槽が電流を生成することを発見しました。燃料を燃やさずに電気に変換するプロセスがあることが判明しました。しかし、人類は主に火力発電所での石油、石炭、ガスの燃焼、または原子力発電所での核燃料の燃焼によって電力を受け取ります。燃焼を伴うプロセスには大きな損失が伴うため、燃料を燃やさずに発電するあらゆる選択肢が科学者や技術者を魅了しました。

燃料電池とは？

研究の過程で、燃料電池用の燃料を準備する必要があることが判明しました。結局のところ、自然界には純粋な水素は存在しません。メタンや天然ガスなどの化石燃料から抽出する必要があります。

燃料電池は化学電流源であるため、アノード、カソード、電解質で構成されています (図を参照)。

燃料電池

アノードでは、還元剤 (水素) が酸化されて電子が外部回路に放出され、正に帯電した H+ イオンが電解質に入ります。鎖のもう一方の端から、電子が空気 (酸素) が供給される陰極に近づき、還元反応が起こります (酸化剤 - 酸素による電子の追加)。正に帯電した水素イオン (プロトン) は電解質によってカソードに移動し、そこで負の酸素イオンと結合して水 H2O を形成します。

電極と電解質は反応に関与しません。したがって、水素と酸素を燃料電池に供給し、水を除去し、電流を除去する必要があります。

水素の製造に問題があるため、他の還元剤、特に石炭から比較的容易に入手できる一酸化炭素 CO を使用する試みが行われました。 30世紀の2年代。ドイツの研究者 E. バウアーは、石炭を直接陽極酸化するための固体電解質を備えた実験室設備を作成しました。現在、石炭に加えて、ほぼすべての有機燃料が使用可能です。このような燃料電池では、水の代わりに二酸化炭素 COXNUMX が生成されます。

燃料電池が電力源として魅力的なのはなぜですか?

第一に、火力発電所よりも環境に優しいです。水素酸素燃料電池は水を生成し、炭素燃料電池は二酸化炭素を生成しますが、その量は火力発電所よりもはるかに少ない電力単位当たりです。

第二に、効率が約40～60％（大型火力発電所では約30％）と高いことです。現在、最大 90% の効率を実現する技術が開発されています。これにより、化石燃料の消費量を少なくとも2倍削減することが可能となります。第三に、燃料の信頼性が異常に高いことです。障害のない動作の確率は、「セブンナイン」、つまり 99,99999% と推定されます。

燃料電池の種類

これらのタイプは、燃料電池で使用される電解質のタイプによって決まります。

1. リン酸。このタイプの燃料電池は現在量産されています。すでに 200 台以上が病院、ホテル、学校、オフィスに設置されています。それらの効率は40％ですが、さらに、出力生成物である熱い蒸気が使用されます。このような燃料電池の動作温度は約２００℃である。

2. プロトン交換膜。これらの要素は、より低い温度 (約 100°C) で動作します。プロトン交換膜は、プロトンの通過を可能にするプラスチックの薄い層です。プラスチックは、活性触媒である金属粒子 (ほとんどの場合プラチナ) の層で両面がコーティングされています。このタイプの燃料電池は、自動車用として、またバッテリーや蓄電池の代替品として最も有望であると考えられています。

3. 溶融炭酸塩。この電解質を備えた電池は約 700°C の温度で動作し、水素、一酸化炭素、天然ガス、プロパン、ディーゼル燃料、その他の物質を処理できます。 10 kW ～ 2 MW の容量を持つ産業用設備が開発されています。このような燃料電池は定置型発電所として有望である。

4. 固体酸化物。液体電解質の代わりに固体セラミック材料が使用されます。このような燃料電池の動作温度は最大 1000°C です。効率は60%に達します。出力 220 kW の燃料電池が実証されています。このような燃料電池は強力な発電所として期待されています。

5. アルカリ電解液。このような電解質（KOH）を含む燃料電池は、米国の宇宙船で長い間使用されてきました。その効率は 70% に達します。しかし、商業用途にはまだ高価すぎます。

6. メタノール。このようなセルの構造はプロトン交換膜を備えたセルに似ていますが、液体メタノールから水素を抽出するように設計されています。効率は約40%です。動作温度は50～90℃。

7. 再生型燃料電池。このタイプの燃料電池は研究中です。閉ループを使用します。水は太陽電池電解装置により水素と酸素に分離されます。水素と酸素が燃料電池に供給され、電気、熱、水が生成されます。水は電解槽にリサイクルされ、このプロセスが繰り返されます。このタイプの燃料電池は宇宙船やステーションに有望です。

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