燃料電池は自宅で自分でやる。 燃料電池技術と自動車への応用

リチウムイオン電池の故障によるラップトップの過熱、火災、さらには爆発に関連する最近の出来事に照らして、ほとんどの専門家によると、将来的に補完または交換できる新しい代替技術を思い出さずにはいられません今日の伝統的なバッテリー。 私たちは新しい動力源、つまり燃料電池について話しています。

Intel の創設者の 1 人である Gordon Moore によって 40 年前に策定された経験則によると、プロセッサのパフォーマンスは 18 か月ごとに 2 倍になります。 バッテリーはチップについていけません。 専門家によると、その容量は年間 10% しか増加しません。

燃料電池は、燃料電池のアノード空間とカソード空間を分離する細胞 (多孔性) 膜に基づいて動作します。 この膜は、両面が適切な触媒でコーティングされています。 燃料はアノードに供給されます。この場合、メタノール（メチルアルコール）の溶液が使用されます。 燃料分解の化学反応の結果として、自由電荷が形成され、膜を通ってカソードに到達します。 したがって、電気回路が閉じられ、デバイスに電力を供給するために電流がその中に生成されます。 このタイプの燃料電池は、直接メタノール燃料電池 (DMFC) と呼ばれます。 燃料電池の開発はずっと前に始まりましたが、リチウムイオン電池との本当の競争について話す理由を与えた最初の結果は、過去2年間でしか得られませんでした.

2004 年には、このようなデバイスの市場には約 35 のメーカーがありましたが、この分野で大きな成功を収めることができたのはほんの数社だけでした。 1月、富士通はその開発を発表しました。バッテリーの厚さは15 mmで、300 mgの30％メタノール溶液が含まれていました。 15 W の電力により、彼女はラップトップを 8 時間使用できました。 1 か月後、PolyFuel という小さな会社が、燃料電源に装備されるべき膜の商業生産を初めて発表しました。 そしてすでに 3 月には、東芝は燃料で動作するモバイル PC のプロトタイプをデモしました。 メーカーは、このようなラップトップは、従来のバッテリーを使用するラップトップよりも最大 5 倍長持ちすると主張しています。

2005 年、LG 化学は燃料電池の開発を発表しました。 その開発には約5年と50億ドルが費やされました。 その結果、USBインターフェイスを介してラップトップに接続し、10時間の動作を保証する、25 Wの電力と1 kgの重さのデバイスを作成することができました。 今年の 2006 年も、多くの興味深い進展が見られました。 特に、Ultracell のアメリカの開発者は、25 W の電力を供給し、67% のメタノールを含む 3 つの交換可能なカートリッジを備えた燃料電池を実演しました。 ラップトップに 24 時間電力を供給できます。 バッテリーの重量は約 1 キログラムで、各カートリッジの重量は約 260 グラムでした。

リチウム イオン電池よりも多くの容量を提供できることに加えて、メタノール電池は非爆発性です。 不利な点には、かなり高いコストと、メタノールカートリッジを定期的に交換する必要があることが含まれます。

燃料電池が従来のものに取って代わらない場合は、それらと組み合わせて使用​​できる可能性が最も高いです。 専門家によると、2006 年の燃料電池市場は約 6 億ドルと、かなり控えめな数字です。 しかし、専門家は 2010 年までに 3 倍に増加し、最大で 19 億ドルになると予測しています。

記事「アルコール電池がリチウムに取って代わる」についてのディスカッション

ゼモネン

くそ、この装置に関する情報を女性誌で見つけた。
さて、これについて一言言わせてください。
1: 不便なことは、6 ～ 10 時間の作業の後、新しいカートリッジを探す必要があり、費用がかかることです。 なんでこんなナンセンスに金使うんだよ
2：私の知る限り、メチルアルコールからエネルギーを受け取った後、水が放出されるはずです. ラップトップと水は相容れないものです。
3：女性誌に寄稿する理由は？ 「何も知らない」「なにこれ？」というコメントから判断すると、この記事はBEAUTY専門サイトのレベルではありません。

フィラー ホース フィッティングをフューエル フィラー ネックに挿入し、半回転させて接続部を密閉します。 トグル スイッチをクリックし、ガソリン スタンドの LED が大きく h3 と書かれていると、給油が開始されたことを示します。 ちょっと待ってください - そしてタンクがいっぱいです、あなたは行くことができます！

エレガントなボディの輪郭、超ロー サスペンション、ロー プロファイルのスリックが、本物のレーシング シューズを生み出します。 透明なカバーを通して、複雑なパイプラインとケーブルを見ることができます。 どこかで同様の解決策を見たことがあります...そうです、Audi R8では、リアウィンドウからエンジンも見えます。 しかし、アウディでは従来のガソリンであり、この車は水素で動きます。 BMW Hydrogen 7 と同様ですが、後者とは異なり、ここには内燃エンジンがありません。 可動部品は、ステアリングギアと電気モーターのローターだけです。 そして、そのエネルギーは燃料電池によって供給されます。 この車は、燃料電池の開発と生産を専門とするシンガポールの会社、Horizo​​n Fuel Cell Technologies によってリリースされました。 2009 年、イギリスの会社 Riversimple は、Horizo​​n Fuel Cell Technologies 燃料電池を搭載した都市型水素自動車をすでに導入しています。 オックスフォード大学とクランフィールド大学と共同で開発されました。 しかし、Horizo​​n H-racer 2.0 は単独開発です。

燃料電池は、触媒層でコーティングされ、プロトン交換膜で分離された 2 つの多孔質電極で構成されています。 アノード触媒上の水素はプロトンと電子に変換され、アノードと外部電気回路を介してカソードに到達し、そこで水素と酸素が再結合して水を形成します。

"行け！" - ガガーリン風に、編集長は肘で私を突きます。 しかし、それほど速くはありません。まず、部分負荷で燃料電池を「ウォームアップ」する必要があります。 トグルスイッチを「ウォームアップ」モード（「ウォームアップ」）に切り替え、割り当てられた時間を待ちます。 それから、念のため、タンクを満タンにします。 さあ、行きましょう：エンジンでスムーズに鳴り響くマシンが前進します。 ダイナミクスは印象的ですが、電気自動車に他に期待できることは、どの速度でも瞬間が一定であることです。 長くはありませんが、満タンの水素タンクは数分しか持続しません (Horizo​​ nは近い将来、水素を加圧ガスとして貯蔵するのではなく、吸着剤内の多孔質材料によって保持される新しいバージョンをリリースすることを約束しています)。 . はい、率直に言って、あまりうまく制御されていません-リモコンには2つのボタンしかありません。 とはいえ、これが150ドルもするラジコン玩具に過ぎないのは残念だ。 本物の燃料電池車を発電所として運転しても構いません。

剛性のあるケーシング内の弾性ゴム製容器であるタンクは、燃料を補給すると伸び、燃料ポンプとして機能し、水素を燃料電池に「絞り込み」ます。 タンクを「補充」しないようにするために、フィッティングの1つがプラスチックチューブで緊急圧力リリーフバルブに接続されています。

充填カラム

自分でやれ

Horizo​​n H-racer 2.0 は SKD (do-it-yourself) キットとして提供され、Amazon などで購入できます。 とはいえ、組み立ては難しくなく、燃料電池を入れてネジで固定し、ホースを水素タンク、燃料電池、フィラーネック、緊急弁に接続し、あとは上体を載せるだけです。フロントとリアのバンパーを忘れずに。 このキットには、水の電気分解によって水素を受け取る充填ステーションが付属しています。 単三電池2本で駆動し、エネルギーを完全に「クリーン」にしたい場合は、ソーラーパネルから（ソーラーパネルも含まれています）。

www.popmech.ru

自分の手で燃料電池を作るには？

もちろん、無燃料システムの連続運転を保証するという問題に対する最も簡単な解決策は、油圧またはその他のベースで既製の二次エネルギー源を購入することですが、この場合、回避することは確かに不可能です追加費用がかかり、このプロセスでは、創造的な思考の飛行のためのアイデアを検討することは非常に困難です. さらに、自分の手で燃料電池を作ることは、一見すると思うほど難しいことではなく、必要に応じて、経験の浅いマスターでも作業に対処できます。 さらに、この要素を作成するための低コストは、すべての利点と重要性にもかかわらず、利用可能な即興の手段で完全に安全になるため、楽しいボーナス以上のものになります。

同時に、タスクを完了する前に考慮しなければならない唯一のニュアンスは、自分の手で非常に低電力のデバイスを作成できることです。より高度で複雑なインストールの実装は、資格のある専門家に任せる必要があります. 作業の順序と一連のアクションに関しては、まず、厚肉のプレキシガラス（少なくとも5センチメートル）を使用するのが最善のケースを完了する必要があります。 ケースの壁を接着し、内部パーティションを取り付けるには、より薄いプレキシガラスを使用するのが最適です (3 mm で十分です)。次の割合を使用して独立して行われます: 100 グラムのクロロホルムあたり - 同じプレキシガラスから 6 グラムの削りくず。

この場合、プロセスはボンネットの下でのみ実行する必要があります。 ケースにいわゆる排水システムを装備するには、前壁に貫通穴を慎重にドリルで開ける必要があります。その直径は、ゴム製ストッパーの寸法と正確に一致します。これは、間の一種のガスケットとして機能します。ケースとガラスドレンチューブ。 チューブ自体の寸法に関しては、設計されている構造のタイプによって異なりますが、幅を5〜6ミリメートルにするのが理想的です。 この記事の潜在的な読者は、燃料電池を作るために必要な要素のリストに記載されている古い防毒マスクに多少驚かれることでしょう。 一方、このデバイスの利点は、マスクのコンパートメントにある活性炭にあり、後で電極として使用できます。

粉状の一貫性について話しているので、デザインを改善するには、ナイロンストッキングが必要です。ナイロンストッキングから簡単にバッグを作ってそこに石炭を入れることができます。そうしないと、単に穴からこぼれます。 分配機能に関しては、燃料は最初のチャンバーに集中しますが、逆に、燃料電池の通常の機能に必要な酸素は、最後の5番目のコンパートメントを循環します。 電極間に配置された電解液自体には、特別な溶液 (125 対 2 ミリリットルの比率のパラフィンを含むガソリン) を含浸させる必要があります。 適切な導電性を確保するために、あらかじめはんだ付けされたワイヤを備えた銅板が石炭の上に置かれ、電極から電気が伝送されます。

この設計段階は、安全に最終段階と見なすことができ、その後、完成したデバイスが充電され、電解液が必要になります。 それを準備するには、等量のエチルアルコールを蒸留水と混合し、液体1杯あたり70グラムの割合で苛性カリウムを徐々に導入する必要があります。 製造されたデバイスの最初のテストは、プレキシガラス本体の 1 番目 (燃料液体) と 3 番目 (エチル アルコールと苛性カリから作られた電解質) の容器の同時充填で構成されます。

www.uznay-kak.ru

水素燃料電池 | ラヴェント

長い間、Alfaintek 社の別の方向性についてお話ししたいと思っていました。 水素燃料電池の開発・販売・サービスです。 ロシアにおけるこれらの燃料電池の状況をすぐに説明したいと思います。

コストがかなり高く、これらの燃料電池を充電するための水素ステーションがまったくないため、ロシアでの販売は期待されていません。 それにもかかわらず、ヨーロッパ、特にフィンランドでは、これらの燃料電池が毎年人気を集めています。 秘密は何ですか？ どれどれ。 この装置は、環境にやさしく、操作が簡単で効率的です。 電気エネルギーが必要な人の助けになります。 道路やハイキングに持って行ったり、田舎やアパートで自律的な電源として使用したりできます。

燃料電池の電気は、ボンベからの水素と金属水素化物および空気中の酸素との化学反応によって生成されます。 シリンダーは爆発しないので、クローゼットに何年も保管して、翼で待つことができます. これはおそらく、この水素貯蔵技術の主な利点の 1 つです。 水素燃料の開発における主要な問題の 1 つは、水素の貯蔵です。 水素を従来の電気に安全、静か、無公害の方法で変換する独自の新しい軽量燃料電池。

このタイプの電気は、中央電源がない場所や非常用電源として使用できます。

充電すると同時に充電プロセス中に電気の消費者から切り離す必要がある従来のバッテリーとは異なり、燃料電池は「スマート」デバイスとして機能します。 この技術は、燃料タンクを交換する際に電力を維持するという独自の機能により、使用期間全体を通じて途切れることのない電力を提供し、ユーザーが消費者の電源を切ることは決してありません。 密閉されたケースでは、燃料電池は、水素を失ったり、電力を低下させたりすることなく、数年間保管できます。

この燃料電池は、科学者や研究者、法執行機関、ライフガード、船やマリーナの所有者、および緊急時に信頼できる電源を必要とするすべての人向けに設計されています。 12ボルトまたは220ボルトの電圧を得ることができ、テレビ、ステレオシステム、冷蔵庫、コーヒーメーカー、やかん、掃除機、ドリル、マイクロストーブ、その他の電化製品を使用するのに十分なエネルギーを得ることができます.

ハイドロセル燃料電池は、単体で販売することも、2 ～ 4 セルの電池として販売することもできます。 2 つまたは 4 つの要素を組み合わせて、電力または電流を増やすことができます。

燃料電池を搭載した家電製品の稼働時間

* - 連続作業

燃料電池は、特別な水素ステーションで完全に充電されます。 しかし、彼らから遠く離れて旅行していて、充電する方法がない場合はどうしますか? 特にそのような場合のために、Alfaintek の専門家は水素を貯蔵するためのシリンダーを開発しました。これにより、燃料電池はより長く動作します。

ボンベはNS-MN200とNS-MN1200の2種類を製作、組み立てたNS-MN200はコカ・コーラ缶より少し大きいサイズで、40Ah(12V)相当の230リットルの水素を収納でき、重さはわずか2.5kg 水素化水素ボンベ NS-MH1200は、220Ah(12V)に相当する1200リットルの水素を蓄えます。 シリンダーの重量は11kg。

金属水素化物技術は、水素を安全かつ簡単に貯蔵、輸送、使用する方法です。 金属水素化物として貯蔵すると、水素は気体ではなく化合物の形になります。 この方法により、十分に高いエネルギー密度を得ることができる。 金属水素化物を使用する利点は、シリンダー内の圧力がわずか 2 ～ 4 バールであることです.シリンダーは爆発せず、物質の体積を減らすことなく何年も保管できます. 水素は金属水素化物として貯蔵されるため、ボンベから得られる水素の純度は非常に高く、99.999% です。 金属水素化物の形の水素貯蔵ボンベは、HC 100、200、400 燃料電池だけでなく、純粋な水素が必要な他の場合にも使用できます。 シリンダーは、クイック コネクト コネクタとフレキシブル ホースを使用して、燃料電池やその他のデバイスに簡単に接続できます。

これらの燃料電池がロシアで販売されていないのは残念です。 しかし、私たちの人口の中には、それらを必要としている人がたくさんいます。 まあ、待って見てみましょう、見てください。 それまでの間、国から課せられた省エネ電球を購入します。

追記 話題はとうとう忘れ去られたようだ。 この記事が書かれてから何年も経ちましたが、何も出てきませんでした。 もちろん、私はすべてを見ているわけではありませんが、私の目を引くものはまったく楽しいものではありません。 技術とアイデアは良いが、開発はまだ見つかっていない。

lavent.ru

燃料電池は今日から始まる未来！

21 世紀初頭、エコロジーは最も重要な世界課題の 1 つと見なされています。 そして、現在の状況下で最初に注意を払うべきことは、代替エネルギー源の探索と使用です。 私たちの周りの環境汚染を防ぎ、上昇し続ける炭化水素ベースの燃料のコストを完全に放棄できるのは彼らです。

すでに今日、太陽電池や風力タービンなどのエネルギー源が使用されています。 しかし、残念ながら、それらの欠如は、季節や時間帯だけでなく、天候への依存にも関連しています。 このため、宇宙飛行、航空機、自動車産業での使用は徐々に放棄されており、定置用には二次電源であるバッテリーが装備されています。

しかし、最良の解決策は燃料電池です。これは、一定のエネルギー再充電を必要としないためです。 各種燃料（ガソリン、アルコール、水素など）を直接電気エネルギーに加工・変換できる装置です。

燃料電池は、外部から燃料が供給され、酸素によって酸化され、この場合に放出されるエネルギーが電気に変換されるという原理に従って動作します。 この動作原理により、ほぼ永続的な動作が保証されます。

19世紀の終わりから、科学者たちは燃料電池を直接研究し、常に新しい改良を加えてきました。 そのため、今日では、動作条件に応じて、アルカリまたはアルカリ (AFC)、直接ホウ素水和物 (DBFC)、電気ガルバニック (EGFC)、直接メタノール (DMFC)、亜鉛空気 (ZAFC)、微生物 (MFC)、ギ酸 (DFAFC) および金属水素化物 (MHFC) モデルも知られています。

最も有望なものの 1 つは、水素燃料電池です。 発電所での水素の使用には大量のエネルギーの放出が伴い、そのような装置の排気は純粋な水蒸気または飲料水であり、環境に脅威を与えることはありません。

このタイプの燃料電池の宇宙船​​でのテストの成功は、最近、電子機器やさまざまな機器のメーカーの間で大きな関心を集めています。 たとえば、PolyFuel はラップトップ用の小型水素燃料電池を発表しました。 しかし、そのような装置のコストが高すぎることと、妨げられずに燃料を補給することの難しさにより、工業生産と広範な流通が制限されています。 ホンダは、自動車用燃料電池も 10 年以上生産しています。 ただし、このタイプの輸送手段は販売されておらず、会社の従業員の公式使用のみが目的です。 車はエンジニアの監督下にあります。

燃料電池を自分の手で組み立てることができるかどうか、多くの人が疑問に思っています。 結局のところ、産業用モデルとは対照的に、自家製デバイスの大きな利点は小さな投資です。 ミニチュア モデルの場合、30 cm のプラチナ メッキ ニッケル ワイヤー、プラスチックまたは木の小片、9 ボルト バッテリー用のクリップとバッテリー自体、透明な粘着テープ、コップ 1 杯の水、および電圧計が必要です。 そのようなデバイスは、仕事の本質を見て理解することを可能にしますが、もちろん、車の発電には機能しません。

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水素燃料電池：ちょっとした歴史 | 水素

私たちの時代では、従来のエネルギー資源の不足と、それらの使用による地球の生態系全体の悪化の問題が特に深刻です。 そのため、近年、炭化水素燃料の潜在的に有望な代替品の開発に、かなりの財政的および知的資源が費やされてきました。 水素は、発電所での使用には大量のエネルギーの放出が伴い、排気は水蒸気であるため、環境に危険を及ぼさないため、近い将来、そのような代替品になる可能性があります。

水素ベースの燃料電池の導入にはまだいくつかの技術的な問題が存在しますが、多くの自動車メーカーはこの技術の可能性を高く評価しており、水素を主燃料として使用できる大量生産車のプロトタイプをすでに積極的に開発しています。 さかのぼる 2011 年、ダイムラー AG は、水素発電所を備えた概念的なメルセデス・ベンツ モデルを発表しました。 さらに、韓国企業の Hyndayi は、今後電気自動車を開発するつもりはなく、手頃な価格の水素自動車の開発に全力を注ぐことを公式に発表しました。

水素を燃料として使用するという考えは多くの人にとって野心的ではありませんが、ほとんどの人は水素燃料電池がどのように機能し、何がそれほど注目に値するのかを理解していません.

この技術の重要性を理解するために、水素燃料電池の歴史に目を向けることをお勧めします。

燃料電池で水素を使用する可能性を最初に説明したのは、ドイツ人のクリスティアン・フリードリッヒでした。 1838 年に、彼は当時の有名な科学雑誌に論文を発表しました。

翌年、オウルズの裁判官であるウィリアム・ロバート・グローブ卿は、実用的な水素電池の試作品を作成しました。 しかし、当時の基準でも装置のパワーが小さすぎたため、実用化には疑問の余地がありませんでした。

「燃料電池」という用語は、1889 年に空気とコークス炉ガスで作動する燃料電池を作ろうとした科学者ルートヴィヒ モンドとチャールズ ランガーに由来します。 他の人によると、この用語は最初に電解質にリン酸を使用することを決めたウィリアム・ホワイト・ジャックによって使用されました.

1920 年代にドイツで多くの研究が行われ、その結果、固体酸化物燃料電池と炭酸塩サイクルの使用法が発見されました。 これらの技術が私たちの時代に効果的に使用されていることは注目に値します。

1932 年、エンジニアの Francis T Bacon は、水素に基づく直接燃料電池の研究に取り組み始めました。 彼の前に、科学者は確立されたスキームを使用しました - 多孔質白金電極を硫酸に入れました。 このようなスキームの明らかな欠点は、まず第一に、プラチナの使用による不当な高コストにあります。 さらに、苛性硫酸の使用は、研究者の健康、時には生命に脅威をもたらしました。 ベーコンは回路を最適化することを決定し、白金をニッケルに置き換え、電解質としてアルカリ組成物を使用しました。

彼の技術を改善するための生産的な仕事のおかげで、ベーコンはすでに 1959 年に、5 kW を生成し、溶接機に電力を供給することができる彼のオリジナルの水素燃料電池を一般に公開しました。 彼は提示されたデバイスを「ベーコンセル」と呼んだ。

同年 10 月には、水素を燃料として 20 馬力を発生するユニークなトラクターが開発されました。

20 世紀の 60 年代に、ベーコンが開発したスキームであるアメリカのゼネラル エレクトリック社が改良され、アポロと NASA のジェミニ宇宙計画に適用されました。 NASA の専門家は、原子炉の使用は費用がかかりすぎ、技術的に難しく、安全ではないという結論に達しました。 さらに、寸法が大きいため、ソーラーパネルを備えたバッテリーの使用を放棄する必要がありました。 この問題の解決策は、宇宙船にエネルギーを供給できる水素燃料電池と、その乗組員にきれいな水を供給することでした。

燃料として水素を使用する最初のバスは、1993 年に製造されました。 また、1997 年には、水素燃料電池を搭載した乗用車のプロトタイプが、トヨタやダイムラー ベンツなどの世界的な自動車ブランドから発表されました。

15 年前に自動車に搭載された有望な環境に優しい燃料がまだ普及していないのは少し奇妙です。 これには多くの理由がありますが、その主な理由はおそらく、適切なインフラストラクチャの作成における政治的および厳格さです。 水素が依然として発言権を持ち、電気自動車の重要な競争相手になることを願いましょう. (odnaknopka)

energycraft.org

エネルギーのない私たちの物質社会は、発展するだけでなく、一般的に存在することさえできません。 エネルギーはどこから来るのですか？ 最近まで、人々はそれを手に入れるための唯一の方法を使用していました。私たちは自然と戦い、抽出されたトロフィーを火室で燃やし、最初は自宅で、次に蒸気機関車や強力な火力発電所で燃やしました。

現代の素人が消費するキロワット時のラベルはなく、文明化された人が技術の恩恵を享受できるように自然が何年働いたか、および文明人が引き起こした害を軽減するためにまだ何年働かなければならないかを示します。彼女はそのような文明によって。 しかし、遅かれ早かれ幻想的な牧歌は終わるという理解が社会で成熟しつつあります。 自然へのダメージを最小限に抑えながら、必要なエネルギーを供給する方法を発明する人が増えています。

水素燃料電池はクリーンエネルギーの聖杯です。 それらは、周期表の共通元素の 1 つである水素を処理し、地球上で最も一般的な物質である水のみを放出します。 人々が物質としての水素を利用できないために、バラ色の状況は損なわれています。 それはたくさんありますが、束縛された状態にあるだけであり、腸から油を汲み出したり、石炭を掘ったりするよりも、それを抽出する方がはるかに困難です.

クリーンで環境に優しい水素製造の選択肢の 1 つは、微生物を使用して水を酸素と水素に分解する微生物燃料電池 (MTB) です。 ここでも、すべてがスムーズではありません。 微生物はクリーンな燃料を生産する優れた仕事をしますが、実際に必要な効率を達成するために、MTB はプロセスの化学反応の 1 つを加速する触媒を必要とします。

この触媒は貴金属のプラチナであり、そのコストにより、MTB の使用は経済的に正当化されず、事実上不可能になります。

ウィスコンシン大学ミルウォーキー校の科学者は、高価な触媒の代替品を発見しました。 プラチナの代わりに、彼らは炭素、窒素、鉄の組み合わせから作られた安価なナノロッドを使用することを提案しました。 新しい触媒は、表層に窒素が導入されたグラファイトロッドと、コアカーバイドコアで構成されています。 新規性の 3 か月間のテスト中に、触媒はプラチナよりも高い能力を示しました。 ナノロッドの操作は、より安定して制御可能であることが判明しました。

そして最も重要なことは、大学の科学者の発案ははるかに安価です。 したがって、プラチナ触媒のコストは MTB のコストの約 60% ですが、ナノロッドのコストは現在の価格の 5% です。

触媒ナノロッドの作成者である Yuhong Chen 教授 (Junhong Chen) によると、次のように述べています。 彼らと一緒に、再生可能エネルギー源からの電力を必要な場所に届けることができ、それはクリーンで効率的で持続可能なものです。」

現在、チェン教授と彼の研究チームは、触媒の正確な特性を研究するのに忙しい。 彼らの目標は、発明に実用的な焦点を当て、大量生産と使用に適したものにすることです。

ギズマグによると

www.facepla.net

水素燃料電池とエネルギーシステム

水力自動車が間もなく現実のものとなり、多くの家庭に水素燃料電池が設置されるでしょう...

水素燃料電池技術は新しいものではありません。 1776 年にヘンリー キャベンディッシュが希酸に金属を溶解する際に水素を初めて発見したときに始まりました。 最初の水素燃料電池は、1839 年にウィリアム グローブによって発明されました。 その後、水素燃料電池は徐々に改良され、現在ではスペースシャトルに搭載され、エネルギー供給や水源としての役割を果たしています。 今日、水素燃料電池技術は、自動車、家庭、携帯機器などの大衆市場に到達しようとしています。

水素燃料電池では、化学エネルギー (水素と酸素の形) が直接 (燃焼せずに) 電気エネルギーに変換されます。 燃料電池は、カソード、電極、アノードで構成されています。 水素はアノードに供給され、そこで陽子と電子に分割されます。 陽子と電子は陰極への経路が異なります。 プロトンは電極を通ってカソードに移動し、電子は燃料電池の周囲を移動してカソードに到達します。 この動きにより、その後使用可能な電気エネルギーが生成されます。 一方、水素の陽子と電子は酸素と結合して水を形成します。

電解槽は、水から水素を抽出する 1 つの方法です。 このプロセスは基本的に、水素燃料電池が動作するときとは逆です。 電解槽は、陽極、電気化学セル、および陰極で構成されています。 水と電圧が陽極に印加され、水が水素と酸素に分解されます。 水素は電気化学セルを通過してカソードに到達し、酸素はカソードに直接供給されます。 そこから、水素と酸素を取り出して貯蔵することができます。 電気を生産する必要がない時間帯に、蓄積されたガスを貯蔵庫から取り出し、燃料電池に戻すことができます。

このシステムは燃料として水素を使用するため、その安全性について多くの神話があるのでしょう。 ヒンデンブルグ号の爆発後、科学から遠く離れた多くの人々や一部の科学者でさえ、水素の使用は非常に危険であると信じ始めました. しかし、最近の調査によると、この悲劇の原因は、内部に送り込まれた水素ではなく、建設に使用された材料の種類によるものでした。 水素貯蔵の安全性に関する試験を行った結果、自動車の燃料タンクにガソリンを貯蔵するよりも、燃料電池に水素を貯蔵する方が安全であることがわかりました。

最新の水素燃料電池の価格はいくらですか? 企業は現在、1 キロワットあたり約 3,000 ドルで発電する水素燃料システムを提供しています。 市場調査によると、コストが 1 キロワットあたり 1,500 ドルに低下すると、大量エネルギー市場の消費者はこのタイプの燃料に切り替える準備が整います。

水素燃料電池車は内燃機関車よりも依然として高価ですが、メーカーは価格を同等のレベルに引き上げる方法を模索しています。 送電線がない一部の僻地では、水素を燃料として使用するか、家庭で自律型電源を使用する方が、たとえば従来のエネルギーキャリアのインフラストラクチャを構築するよりも経済的である可能性があります。

水素燃料電池がまだ普及していないのはなぜですか？ 現時点では、その高コストが水素燃料電池の流通における主な問題です。 水素燃料システムは、現時点では大量の需要がありません。 しかし、科学は止まらず、近い将来、水上を走る車が現実になる可能性があります。

www.tesla-tehnika.biz

水力自動車が間もなく現実のものとなり、多くの家庭に水素燃料電池が設置されるでしょう...

水素技術 燃料電池新しくない。 1776 年にヘンリー キャベンディッシュが希酸に金属を溶解する際に水素を初めて発見したときに始まりました。 最初の水素燃料電池は、1839 年にウィリアム グローブによって発明されました。 その後、水素燃料電池は徐々に改良され、現在ではスペースシャトルに搭載され、エネルギー供給や水源としての役割を果たしています。 今日、水素燃料電池技術は、自動車、家庭、携帯機器などの大衆市場に到達しようとしています。

水素燃料電池では、化学エネルギー (水素と酸素の形) が直接 (燃焼せずに) 電気エネルギーに変換されます。 燃料電池は、カソード、電極、アノードで構成されています。 水素はアノードに供給され、そこで陽子と電子に分割されます。 陽子と電子は陰極への経路が異なります。 プロトンは電極を通ってカソードに移動し、電子は燃料電池の周囲を移動してカソードに到達します。 この動きにより、その後使用可能な電気エネルギーが生成されます。 一方、水素の陽子と電子は酸素と結合して水を形成します。

電解槽は、水から水素を抽出する 1 つの方法です。 このプロセスは基本的に、水素燃料電池が動作するときとは逆です。 電解槽は、陽極、電気化学セル、および陰極で構成されています。 水と電圧が陽極に印加され、水が水素と酸素に分解されます。 水素は電気化学セルを通過してカソードに到達し、酸素はカソードに直接供給されます。 そこから、水素と酸素を取り出して貯蔵することができます。 電気を生産する必要がない時間帯に、蓄積されたガスを貯蔵庫から取り出し、燃料電池に戻すことができます。

このシステムは燃料として水素を使用するため、その安全性について多くの神話があるのでしょう。 ヒンデンブルグ号の爆発後、科学から遠く離れた多くの人々や一部の科学者でさえ、水素の使用は非常に危険であると信じ始めました. しかし、最近の調査によると、この悲劇の原因は、内部に送り込まれた水素ではなく、建設に使用された材料の種類によるものでした。 水素貯蔵の安全性をテストした結果、 燃料電池の水素貯蔵はより安全です車の燃料タンクにガソリンを貯蔵するよりも。

最新の水素燃料電池の価格はいくらですか?? 企業は現在、水素を提供しています 燃料システムキロワットあたり約 3,000 ドルのコストでエネルギーを生成します。 市場調査によると、コストが 1 キロワットあたり 1,500 ドルに低下すると、大量エネルギー市場の消費者はこのタイプの燃料に切り替える準備が整います。

水素燃料電池車は内燃機関車よりも依然として高価ですが、メーカーは価格を同等のレベルに引き上げる方法を模索しています。 送電線がない一部の僻地では、水素を燃料として使用するか、家庭で自律型電源を使用する方が、たとえば従来のエネルギーキャリアのインフラストラクチャを構築するよりも経済的である可能性があります。

水素燃料電池がまだ普及していないのはなぜですか？ 現時点では、その高コストが水素燃料電池の流通における主な問題です。 水素燃料システムは、現時点では大量の需要がありません。 しかし、科学は止まらず、近い将来、水上を走る車が現実になる可能性があります。

燃料（水素）セル/セルの製造、組み立て、試験および試験
アメリカとカナダの工場で製造

燃料（水素）電池・セル

Intech GmbH / LLC Intech GmbH は、1997 年以来エンジニアリング サービスの市場に出回っており、さまざまな産業機器の長年の公式であり、さまざまな燃料 (水素) セル / セルに注目しています。

燃料電池/セルは

燃料電池・セルのメリット

燃料電池/セルは、電気化学反応により、水素を豊富に含む燃料から効率的に直流電流と熱を生成するデバイスです。

燃料電池は、化学反応によって直流電流を生成するという点でバッテリーに似ています。 燃料電池は、アノード、カソード、および電解質を含む。 ただし、バッテリーとは異なり、燃料電池/セルは電気エネルギーを蓄えることも、放電することも、電気を再充電する必要もありません。 燃料電池/セルは、燃料と空気の供給がある限り、継続的に電気を生成できます。

ガス、石炭、石油などを動力とする内燃機関やタービンなどの他の発電機とは異なり、燃料電池/セルは燃料を燃焼しません。 これは、騒々しい高圧ローター、大きな排気音、振動がないことを意味します。 燃料電池/セルは、静かな電気化学反応によって電気を生成します。 燃料電池/セルのもう 1 つの特徴は、燃料の化学エネルギーを電気、熱、水に直接変換することです。

燃料電池は効率が高く、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素などの温室効果ガスを大量に発生しません。 運転中に排出される生成物は、蒸気の形をした水と少量の二酸化炭素だけですが、純粋な水素を燃料として使用する場合、二酸化炭素はまったく排出されません。 燃料電池/セルはアセンブリに組み立てられ、次に個々の機能モジュールに組み立てられます。

燃料電池・セル開発の歴史

1950 年代と 1960 年代に、燃料電池の最大の課題の 1 つは、米国航空宇宙局 (NASA) の長期宇宙ミッションのためのエネルギー源の必要性から生まれました。 NASA のアルカリ燃料電池/セルは、水素と酸素を燃料として使用し、電気化学反応で 2 つを組み合わせます。 出力は、宇宙飛行に役立つ反応の 3 つの副産物です。宇宙船に電力を供給するための電気、飲料および冷却システム用の水、そして宇宙飛行士を暖かく保つための熱です。

燃料電池の発見は 19 世紀初頭にさかのぼります。 燃料電池の効果の最初の証拠は、1838 年に得られました。

1930 年代後半にアルカリ燃料電池の開発が始まり、1939 年までに高圧ニッケルメッキ電極を使用した電池が製造されました。 第二次世界大戦中、英国海軍の潜水艦用の燃料電池/セルが開発され、1958 年に直径 25 cm をわずかに超えるアルカリ燃料電池/セルで構成される燃料集合体が導入されました。

1950 年代と 1960 年代、そして産業界が燃料油の不足を経験した 1980 年代にも関心が高まりました。 同じ時期に、世界各国でも大気汚染の問題が懸念され、環境に優しい発電方法が検討されました。 現在、燃料電池/電池技術は急速に発展しています。

燃料電池/セルのしくみ

燃料電池/セルは、電解質、カソード、およびアノードを使用して進行中の電気化学反応を通じて電気と熱を生成します。

アノードとカソードは、プロトンを伝導する電解質によって分離されています。 水素がアノードに入り、酸素がカソードに入ると、化学反応が始まり、その結果、 電気、熱および水。

アノード触媒では、水素分子が解離して電子を失います。 水素イオン (プロトン) は電解質を通ってカソードに伝導されますが、電子は電解質を通過して外側を通過します。 電子回路、機器に電力を供給するために使用できる直流を作成します。 カソード触媒では、酸素分子が電子（外部通信から供給される）および入ってくるプロトンと結合し、唯一の反応生成物である水を形成します（蒸気および/または液体の形で）。

以下は、対応する反応です。

アノード反応: 2H 2 => 4H+ + 4e -
陰極での反応: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
一般的な元素反応: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

燃料電池・セルの種類と種類

さまざまな種類の内燃機関が存在するのと同様に、さまざまな種類の燃料電池が存在します。適切な種類の燃料電池の選択は、その用途によって異なります。

燃料電池は高温と低温に分けられます。 低温燃料電池は、燃料として比較的純粋な水素を必要とします。 これは、多くの場合、一次燃料 (天然ガスなど) を純粋な水素に変換するために燃料処理が必要であることを意味します。 このプロセスは追加のエネルギーを消費し、特別な装置が必要です。 高温燃料電池は、高温で燃料を「内部変換」できるため、この追加手順は必要ありません。つまり、水素インフラストラクチャに投資する必要はありません。

燃料電池/溶融炭酸塩 (MCFC) 上のセル

溶融炭酸塩電解質燃料電池は、高温燃料電池です。 動作温度が高いため、燃料プロセッサを使用せずに天然ガスを直接使用でき、燃料ガスは低温度で使用できます。 発熱量燃料 生産工程および他のソースから。

RCFC の動作は、他の燃料電池とは異なります。 これらのセルは、溶融炭酸塩の混合物からの電解質を使用します。 現在、炭酸リチウムと炭酸カリウム、または炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの 2 種類の混合物が使用されています。 炭酸塩を溶融し、電解質中のイオンの高度な移動度を達成するために、溶融炭酸塩電解質を使用する燃料電池は高温 (650°C) で動作します。 効率は 60 ～ 80% の間で変化します。

650°C の温度に加熱すると、塩は炭酸イオン (CO 3 2-) の伝導体になります。 これらのイオンはカソードからアノードに移動し、そこで水素と結合して、水、二酸化炭素、および自由電子を形成します。 これらの電子は、外部の電気回路を通ってカソードに送り返され、副産物として電流と熱が発生します。

アノード反応: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
カソードでの反応: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
一般的な元素反応: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (カソード) => H 2 O (g) + CO 2 (アノード)

溶融炭酸塩電解質燃料電池の高い動作温度には、特定の利点があります。 高温では内部改質が起こる 天然ガス、燃料プロセッサの必要性を排除します。 さらに、電極にステンレス鋼シートやニッケル触媒などの標準的な構成材料を使用できるという利点もあります。 廃熱を使用して、さまざまな工業用および商業用の高圧蒸気を生成できます。

電解液中の反応温度が高いことにも利点があります。 高温を使用すると、最適な動作条件に達するまでに長い時間がかかり、システムはエネルギー消費の変化にゆっくりと反応します。 これらの特性により、一定の電力条件で溶融炭酸塩電解質を使用する燃料電池システムを使用できます。 高温は、一酸化炭素による燃料電池の損傷を防ぎます。

溶融炭酸塩燃料電池は、大型の定置設備での使用に適しています。 出力電力3.0MWの火力発電所が工業的に生産されています。 最大 110 MW の出力を持つプラントが開発されています。

燃料電池・リン酸系電池（PFC）

リン酸（オルトリン酸）に基づく燃料電池は、商用利用のための最初の燃料電池でした。

リン酸（オルトリン酸）に基づく燃料電池は、最大100％の濃度のオルトリン酸（H 3 PO 4）に基づく電解質を使用します。 リン酸のイオン伝導率は低温では低いため、これらの燃料電池は 150 ～ 220°C までの温度で使用されます。

このタイプの燃料電池の電荷担体は水素 (H+、陽子) です。 同様のプロセスがプロトン交換膜燃料電池でも発生し、アノードに供給された水素がプロトンと電子に分割されます。 プロトンは電解質を通過し、カソードで空気中の酸素と結合して水を形成します。 電子は外部電気回路に沿って導かれ、電流が生成されます。 以下は、電気と熱を生成する反応です。

アノードでの反応: 2H 2 => 4H + + 4e -
カソードでの反応：O 2（g）+ 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
一般的な元素反応: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

リン酸（オルトリン酸）に基づく燃料電池の効率は、電気エネルギーを生成する際に 40% 以上です。 熱と電気を組み合わせた生産では、全体の効率は約 85% です。 さらに、所定の動作温度では、廃熱を使用して水を加熱し、大気圧で蒸気を発生させることができます。

熱と電気の複合生産におけるリン酸（オルトリン酸）に基づく燃料電池の火力発電所の高性能は、このタイプの燃料電池の利点の1つです。 プラントは約 1.5% の濃度で一酸化炭素を使用するため、燃料の選択肢が大幅に広がります。 さらに、CO 2 は電解質や燃料電池の動作に影響を与えません。このタイプの電池は、改質された天然燃料で動作します。 シンプルな構造、電解液の揮発性が低く、安定性が高いことも、このタイプの燃料電池の利点です。

出力電力が 500 kW までの火力発電所が工業的に生産されています。 11 MW の設備は、関連するテストに合格しています。 最大 100 MW の出力を持つプラントが開発されています。

固体酸化物燃料電池/セル (SOFC)

固体酸化物燃料電池は、動作温度が最も高い燃料電池です。 動作温度は 600°C から 1000°C まで変化する可能性があり、特別な前処理なしでさまざまな種類の燃料を使用できます。 これらの高温に対処するために、使用される電解質は薄いセラミックベースの固体金属酸化物であり、多くの場合、イットリウムとジルコニウムの合金であり、酸素 (O 2-) イオンの伝導体です。

固体電解質は、ある電極から別の電極への気密ガス遷移を提供しますが、液体電解質は多孔質基板内にあります。 このタイプの燃料電池の電荷担体は酸素イオン (O 2-) です。 カソードでは、酸素分子が空気から酸素イオンと 4 つの電子に分離されます。 酸素イオンは電解質を通過し、水素と結合して 4 つの自由電子を形成します。 電子は外部の電気回路を通って導かれ、電流と廃熱を生成します。

アノードでの反応: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
カソードでの反応：O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
一般的な元素反応: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

生成された電気エネルギーの効率は、すべての燃料電池の中で最も高く、約 60 ～ 70% です。 動作温度が高いため、熱と発電を組み合わせて高圧蒸気を発生させることができます。 高温燃料電池とタービンを組み合わせることで、ハイブリッド燃料電池が作成され、発電効率が最大 75% 向上します。

固体酸化物燃料電池は非常に高い温度 (600°C ～ 1000°C) で動作するため、最適な動作条件に達するまでに時間がかかり、システムは電力消費の変化に反応するのが遅くなります。 このような高い動作温度では、燃料から水素を回収するための変換器は必要なく、火力発電所は、石炭のガス化または廃棄ガスなどからの比較的不純な燃料で動作することができます。 また、この燃料電池は、産業用および大規模な中央発電所などの高出力アプリケーションに最適です。 出力電力100 kWの工業生産モジュール。

直接メタノール酸化（DOMTE）による燃料電池/セル

メタノールの直接酸化で燃料電池を使用する技術は、活発な開発期間を経ています。 携帯電話、ラップトップ、およびポータブル電源の分野での地位を確立しています。 これらの要素の将来のアプリケーションが何を目指しているか。

メタノールの直接酸化による燃料電池の構造は、プロトン交換膜 (MOFEC) による燃料電池と似ています。 ポリマーを電解質として使用し、水素イオン (プロトン) を電荷担体として使用します。 しかし、液体メタノール (CH 3 OH) は、アノードで水の存在下で酸化され、CO 2 、水素イオン、および電子を放出します。これらは外部電気回路を介して導かれ、電流が生成されます。 水素イオンは電解質を通過し、空気中の酸素と外部回路の電子と反応して、アノードで水を形成します。

アノードでの反応: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
陰極での反応: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
一般的な元素反応: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

このタイプの燃料電池の利点は、液体燃料を使用するためサイズが小さく、コンバーターを使用する必要がないことです。

アルカリ燃料電池/セル (AFC)

アルカリ燃料電池は、発電に使用される最も効率的な要素の 1 つであり、発電効率は最大 70% に達します。

アルカリ燃料電池は、多孔質の安定化されたマトリックスに含まれる電解質、つまり水酸化カリウムの水溶液を使用します。 水酸化カリウムの濃度は、65°C から 220°C の範囲の燃料電池の動作温度によって異なります。 SFC の電荷キャリアは、カソードからアノードに移動する水酸化物イオン (OH-) であり、そこで水素と反応して水と電子を生成します。 陽極で生成された水は陰極に戻り、そこで再び水酸化物イオンが生成されます。 燃料電池では、この一連の反応の結果、電気が生成され、副産物として熱が発生します。

アノードでの反応: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
カソードでの反応: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
システムの一般的な反応: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SFC の利点は、電極に必要な触媒が、他の燃料電池の触媒として使用されるものよりも安価な物質のいずれかである可能性があるため、これらの燃料電池が最も安価に製造できることです。 SCFC は、比較的低温で動作し、最も効率的な燃料電池の 1 つです。このような特性は、それぞれ、より高速な発電と高い燃料効率に貢献することができます。

SHTE の特徴の 1 つは、燃料や空気に含まれる可能性のある CO 2 に対する高い感度です。 CO 2 は電解質と反応し、すぐに電解質を汚染し、燃料電池の効率を大幅に低下させます。 そのため、SFC の使用は宇宙や水中ビークルなどの閉鎖空間に限定され、純粋な水素と酸素で動作する必要があります。 さらに、CO、H 2 O、CH4 などの分子は、他の燃料電池にとって安全であり、一部の燃料電池の燃料にもなりますが、SFC には有害です。

高分子電解質燃料電池/セル (PETE)

高分子電解質燃料電池の場合、高分子膜は、水イオン (水分子に結合した H 2 O + (プロトン、赤)) が伝導する水の領域を持つ高分子繊維で構成されます。 水分子は、イオン交換が遅いために問題を引き起こします。 そのため、燃料と排気電極の両方で高濃度の水が必要となり、動作温度が 100°C に制限されます。

固体酸燃料電池/セル (SCFC)

固体酸燃料電池では、電解質 (CsHSO 4 ) に水が含まれていません。 したがって、動作温度は 100 ～ 300°C です。 SO 4 2- オキシ アニオンの回転により、プロトン (赤) が図のように移動します。 通常、固体酸燃料電池は、固体酸化合物の非常に薄い層が 2 つのしっかりと圧縮された電極の間に挟まれて、良好な接触を確保するサンドイッチ構造です。 加熱すると、有機成分が蒸発し、電極の細孔を通って残り、燃料 (またはセルの反対側の酸素)、電解質、および電極間の多数の接触の能力を保持します。

革新的な省エネルギーの地方自治体の熱および発電所は、通常、固体酸化物型燃料電池 (SOFC)、高分子電解質型燃料電池 (PEFC)、リン酸型燃料電池 (PCFC)、プロトン交換膜型燃料電池 (MPFC)、およびアルカリ型燃料電池 ( APFC）。 通常、次のような特徴があります。

固体酸化物型燃料電池 (SOFC) が最も適していると認識される必要があります。

• より高い温度で動作するため、高価な貴金属 (プラチナなど) の必要性が減少します。
• のために働くことができます さまざまな種類炭化水素燃料、主に天然ガス
• 起動時間が長いため、長期運用に適しています
• 高い発電効率（最大70％）を発揮
• 動作温度が高いため、ユニットを熱回収システムと組み合わせて、システム全体の効率を最大 85% にすることができます。
• 既存の発電技術と比較して、排出物がほぼゼロで、静かに動作し、動作要件が低い

小規模な火力発電所は、従来のガス供給ネットワークに接続できるため、燃料電池は必要ありません。 別システム水素の供給。 固体酸化物燃料電池に基づく小規模な火力発電所を使用する場合、生成された熱を熱交換器に統合して水を加熱し、空気を換気して、システムの全体的な効率を高めることができます。 この革新的な技術は、高価なインフラや複雑な機器の統合を必要としない効率的な発電に最適です。

燃料電池・セル用途

通信システムにおける燃料電池/セルの応用

ワイヤレス通信システムが世界中で急速に普及し、携帯電話技術の社会的および経済的利益が増大するにつれて、信頼性が高く費用対効果の高いバックアップ電源の必要性が重要になっています。 悪天候、自然災害、またはグリッド容量の制限による年間を通してのグリッド損失は、グリッド オペレータにとって常に課題となっています。

従来のテレコム電源バックアップ ソリューションには、短期間のバックアップ電源用のバッテリー (バルブ調整式鉛蓄電池セル) と、長時間のバックアップ電源用のディーゼルおよびプロパン発電機が含まれています。 バッテリは、1 ～ 2 時間のバックアップ電源として比較的安価なソースです。 ただし、バッテリーは維持費が高く、長期間使用すると信頼性が低下し、温度に敏感で、廃棄後の環境に有害であるため、長期間のバックアップには適していません。 ディーゼルおよびプロパン発電機は、継続的なバックアップ電力を提供できます。 ただし、発電機は信頼性が低く、大規模なメンテナンスが必要であり、高レベルの汚染物質や温室効果ガスを大気中に放出する可能性があります。

従来のバックアップ電源ソリューションの制限を取り除くために、革新的なグリーン燃料電池技術が開発されました。 燃料電池は信頼性が高く、静かで、発電機よりも可動部品が少なく、バッテリーよりも動作温度範囲が -40°C ～ +50°C と広いため、非常に高いレベルのエネルギー節約を実現します。 さらに、そのようなプラントの生涯コストは、発電機のコストよりも低くなります。 燃料電池コストの削減は、1 年に 1 回のメンテナンス訪問だけで済み、工場の生産性が大幅に向上した結果です。 結局のところ、燃料電池は環境への影響を最小限に抑えた環境に優しい技術ソリューションです。

燃料電池ユニットは、250W から 15kW の電気通信システムにおける無線、固定、ブロードバンド通信用の重要な通信ネットワーク インフラストラクチャにバックアップ電源を提供し、多くの比類のない革新的な機能を提供します。

• 信頼性– 可動部が少なく待機放電なし
• 省エネ
• 沈黙– 低騒音レベル
• 安定– 動作範囲 -40°C ～ +50°C
• 適応性– 屋外および屋内設置 (コンテナ/保護コンテナ)
• ハイパワー– 最大 15 kW
• メンテナンスの必要性が低い– 最低限の年間メンテナンス
• 経済- 魅力的な総所有コスト
• クリーンエネルギー– 環境への影響を最小限に抑えた低排出

システムは常に DC バス電圧を感知し、DC バス電圧がユーザー定義の設定値を下回った場合、重要な負荷をスムーズに受け入れます。 このシステムは、商用の水素源から、または搭載された改質システムを使用してメタノールと水の液体燃料から、2 つの方法のいずれかで燃料電池スタックに入る水素で動作します。

電気は、燃料電池スタックによって直流の形で生成されます。 DC 電力は、燃料電池スタックからの調整されていない DC 電力を、必要な負荷用の高品質で調整された DC 電力に変換するコンバータに送られます。 燃料電池設備は、水素またはメタノール/水燃料の在庫によってのみ期間が制限されるため、何日にもわたってバックアップ電力を提供できます。

燃料電池は、業界標準のバルブ調整式鉛蓄電池パックと比較して、優れたエネルギー効率、システムの信頼性の向上、幅広い気候での予測可能なパフォーマンス、および信頼性の高い耐用年数を提供します。 メンテナンスや交換の必要性が大幅に減少するため、ライフサイクル コストも低くなります。 燃料電池は、鉛蓄電池に関連する廃棄コストと法的責任のリスクが懸念されているため、エンドユーザーに環境上の利点をもたらします。

電池の性能は、充電レベル、温度、サイクル、寿命、その他の変数など、さまざまな要因によって悪影響を受ける可能性があります。 提供されるエネルギーはこれらの要因によって異なり、予測するのは容易ではありません。 プロトン交換膜燃料電池 (PEMFC) の性能は、これらの要因の影響を比較的受けず、燃料が利用可能である限り重要な電力を供給することができます。 ミッション クリティカルなバックアップ電源アプリケーションを燃料電池に移行する場合、予測可能性の向上は重要な利点です。

燃料電池は、ガスタービン発電機のように、燃料が供給されたときにのみエネルギーを生成しますが、発電ゾーンに可動部分はありません。 したがって、発電機とは異なり、急速な摩耗を受けず、定期的なメンテナンスや潤滑を必要としません。

長時間燃料コンバーターの駆動に使用される燃料は、メタノールと水の混合物です。 メタノールは広く入手可能な商用燃料であり、現在、フロントガラスのウォッシャー、ペットボトル、エンジン添加剤、エマルジョン塗料など、多くの用途があります。 メタノールは輸送が容易で、水と混和性があり、生分解性に優れ、硫黄を含まない. 凝固点が低く（-71℃）、長期保存しても分解しません。

燃料電池・セルの通信ネットワークへの応用

セキュリティ ネットワークには、電力網が利用できなくなった場合に緊急時に数時間または数日間持続できる、信頼性の高いバックアップ電源ソリューションが必要です。

可動部品がほとんどなく、スタンバイ電力の削減がない革新的な燃料電池技術は、現在利用可能なバックアップ電源システムに比べて魅力的なソリューションを提供します。

通信ネットワークで燃料電池技術を使用する最も説得力のある理由は、全体的な信頼性とセキュリティの向上です。 停電、地震、暴風雨、ハリケーンなどのイベントの間、バックアップ電源システムの温度や使用年数に関係なく、システムが長期間動作し続け、信頼できるバックアップ電源があることが重要です。

燃料電池電源の範囲は、安全な通信ネットワークをサポートするのに理想的です。 省エネ設計原則のおかげで、250 W から 15 kW の電力範囲で使用するために、環境にやさしく信頼性の高いバックアップ電力を長時間 (最大数日間) 提供します。

データネットワークにおける燃料電池/セルの適用

高速データ ネットワークや光ファイバー バックボーンなどのデータ ネットワーク用の信頼性の高い電源は、世界中で重要な役割を果たしています。 このようなネットワークを介して送信される情報には、銀行、航空会社、医療センターなどの機関にとって重要なデータが含まれています。 このようなネットワークでの停電は、送信された情報に危険をもたらすだけでなく、原則として、重大な経済的損失につながります。 スタンバイ電力を提供する信頼性の高い革新的な燃料電池設備は、中断のない電力を確保するために必要な信頼性を提供します。

メタノールと水の液体燃料混合物で動作する燃料電池ユニットは、信頼性の高いバックアップ電源を提供し、最長で数日間持続します。 さらに、これらのユニットは、発電機やバッテリーと比較してメンテナンス要件が大幅に軽減され、年に 1 回のメンテナンス訪問のみで済みます。

データネットワークで燃料電池設備を使用する場合の典型的なアプリケーション特性:

• 100 W ～ 15 kW の電源入力のアプリケーション
• バッテリ寿命要件が 4 時間を超えるアプリケーション
• 光ファイバー システムのリピーター (同期デジタル システムの階層、高速インターネット、ボイス オーバー IP など)
• 高速データ伝送のネットワークノード
• WiMAX 伝送ノード

燃料電池のスタンバイ インストールは、重要なデータ ネットワーク インフラストラクチャに、従来のバッテリまたはディーゼル発電機よりも多くの利点を提供し、オンサイトでの使用率を向上させます。

1. 液体燃料技術は、水素貯蔵の問題を解決し、事実上無制限のバックアップ電力を提供します。
2. 静かな動作、軽量、極端な温度への耐性、実質的に振動のない動作により、燃料電池は屋外、産業施設/コンテナ、または屋上に設置できます。
3. システムを使用するための現場での準備は迅速かつ経済的であり、運用コストは低くなります。
4. 燃料は生分解性で、都市環境にとって環境に優しいソリューションです。

セキュリティシステムにおける燃料電池/セルの適用

最も慎重に設計された建物のセキュリティおよび通信システムの信頼性は、それらに電力を供給する電力と同程度です。 ほとんどのシステムには、短期間の停電に備えてある種のバックアップ無停電電源システムが含まれていますが、自然災害やテロ攻撃の後に発生する可能性がある長期の停電には対応していません。 これは、多くの企業や政府機関にとって重大な問題になる可能性があります。

CCTV 監視およびアクセス制御システム (ID カード リーダー、ドア閉鎖装置、生体認証技術など)、自動火災報知器および消火システム、エレベーター制御システム、通信ネットワークなどの重要なシステムは、セキュリティがなければ危険にさらされます。継続的な電力供給の信頼できる代替ソース。

ディーゼル発電機は騒音が大きく、場所を特定するのが難しく、その信頼性と信頼性でよく知られています。 メンテナンス. 対照的に、燃料電池のバックアップ設備は静かで信頼性が高く、排出量がゼロまたは非常に少なく、屋上や建物の外に簡単に設置できます。 スタンバイモードで放電したり電力を失ったりすることはありません。 施設が運営を停止し、建物が人々によって放棄された後でも、重要なシステムの継続的な運用を保証します。

革新的な燃料電池の設置により、重要なアプリケーションへの高額な投資が保護されます。 これらは、250 W から 15 kW の電力範囲で使用するための長期間 (最大数日) の環境に優しく信頼性の高いバックアップ電力を提供し、多数の卓越した機能と、特に高レベルの省エネを組み合わせています。

燃料電池電源バックアップ ユニットは、セキュリティやビル管理システムなどのミッション クリティカルなアプリケーションに、従来のバッテリーやディーゼル発電機よりも多くの利点を提供します。 液体燃料技術は、水素貯蔵の問題を解決し、事実上無制限のバックアップ電力を提供します。

家庭用暖房および発電における燃料電池/セルの適用

固体酸化物燃料電池 (SOFC) は、信頼性が高く、エネルギー効率が高く、排出量のない火力発電所を構築するために使用され、広く利用可能な天然ガスおよび再生可能燃料源から電気と熱を生成します。 これらの革新的なユニットは、家庭用発電から遠隔地への電力供給、補助電源まで、さまざまな市場で使用されています。

これらの省エネユニットは、暖房や給湯用の熱を生成し、家庭で使用して電力網に戻すことができる電気を生成します。 分散型電源には、太陽光発電 (ソーラー) セルやマイクロ風力タービンが含まれます。 これらの技術は目に見えて広く知られていますが、その動作は気象条件に依存しており、一年中一貫して発電することはできません。 電力に関しては、火力発電所は 1 kW 未満から 6 MW 以上までさまざまです。

配電網における燃料電池/セルの適用

小規模火力発電所は、1 つの集中型発電所ではなく、多数の小型発電機セットで構成される分散型発電ネットワークで動作するように設計されています。

下の図は、CHP で発電し、現在使用されている従来の送電網を介して家庭に送電した場合の発電効率の損失を示しています。 地域発電における効率損失には、発電所、低電圧および高電圧送電、および配電損失からの損失が含まれます。

図は小型火力発電所の統合の成果で、ユースポイントで最大60％の発電効率で発電しています。 さらに、家庭では燃料電池で生成された熱を水や暖房に使用できるため、燃料エネルギー処理の全体的な効率が向上し、エネルギーの節約が向上します。

燃料電池で環境を守る ～随伴石油ガスの活用～

石油産業における最も重要なタスクの 1 つは、付随する石油ガスの利用です。 関連する石油ガスの既存の利用方法には多くの欠点があり、その主なものは経済的に実行可能でないことです。 関連する石油ガスが燃焼し、環境と人間の健康に大きな害を及ぼします。

関連する石油ガスを燃料として使用する革新的な燃料電池の熱および発電所は、関連する石油ガスの利用の問題に対する根本的で費用対効果の高い解決策への道を開きます。

1. 燃料電池設備の主な利点の 1 つは、石油ガスに関連するさまざまな組成で確実かつ持続的に動作できることです。 燃料電池の動作の根底にある無炎の化学反応により、例えばメタンのパーセンテージの減少は、対応する出力の減少を引き起こすだけです。
2. 消費者の電気負荷、差動、負荷サージに関する柔軟性。
3. 燃料電池に火力発電所を設置して接続する場合、それらの実装には設備投資は必要ありません。 ユニットは、フィールドの近くの準備ができていない場所に簡単に取り付けられ、操作が簡単で、信頼性が高く、効率的です。
4. 高度な自動化と最新のリモート コントロールでは、プラントに常に人員がいる必要はありません。
5. 設計のシンプルさと技術的完成度: 可動部品、摩擦、潤滑システムがないため、燃料電池設備の運用から大きな経済的利益が得られます。
6. 水の消費量: +30 °C までの周囲温度ではなし、それ以上の温度では無視できます。
7. 給水口：なし。
8. また、燃料電池火力発電所は、音を立てず、振動せず、

燃料電池は、水素燃料エネルギーを電気化学的に電気に変換する方法であり、このプロセスの唯一の副産物は水です。

燃料電池で現在使用されている水素燃料は、通常、メタンの水蒸気改質 (つまり、水蒸気と熱で炭化水素をメタンに変換すること) から得られますが、このアプローチは、太陽エネルギーを使用した水の電気分解など、より環境に優しいものになる可能性があります。

燃料電池の主なコンポーネントは次のとおりです。

• 水素が酸化されるアノードと、
• 酸素が還元されるカソード。
• プロトンまたは水酸化物イオンが輸送される高分子電解質膜 (媒体によって異なります) - 水素と酸素を通過させません。
• 電極へのこれらのガスの送達に関与する酸素と水素の流れ場。

たとえば、自動車に電力を供給するために、いくつかの燃料電池がバッテリーに組み込まれています。このバッテリーによって供給されるエネルギーの量は、電極の総面積とその中のセルの数によって異なります。 燃料電池のエネルギーは次のように生成されます。水素はアノードで酸化され、そこから電子がカソードに送られ、そこで酸素が還元されます。 アノードでの水素の酸化から得られる電子は、カソードで酸素を還元する電子よりも高い化学ポテンシャルを持っています。 この電子の化学ポテンシャルの違いにより、燃料電池からエネルギーを取り出すことが可能になります。

創造の歴史

燃料電池の歴史は、最初の水素燃料電池がウィリアム R. グローブによって設計された 1930 年代にさかのぼります。 このセルは、電解液として硫酸を使用していました。 Grove は、硫酸銅の水溶液から鉄の表面に銅を析出させようとしました。 彼は、電子電流の作用下で、水が水素と酸素に分解することに気付きました。 この発見の後、Grove と、Grove と並行して働いていたバーゼル大学 (スイス) の化学者 Christian Schoenbein は、1839 年に酸性電解質を使用して水素酸素燃料電池でエネルギーを生成する可能性を同時に実証しました。 これらの初期の試みは、本質的に非常に原始的でしたが、マイケル・ファラデーを含む同時代の何人かの注目を集めました。

燃料電池の研究は続けられ、1930 年代には F.T. Bacon は、アルカリ燃料電池 (燃料電池の一種) に新しいコンポーネントを導入しました。これは、水酸化物イオンの輸送を促進するイオン交換膜です。

アルカリ燃料電池の最も有名な歴史的使用例の 1 つは、アポロ計画の宇宙飛行中の主なエネルギー源としての使用です。

それらは、耐久性と技術的安定性のために NASA によって選ばれました。 彼らは、そのプロトン交換姉妹よりも効率が優れた水酸化物伝導膜を使用しました。

最初の燃料電池のプロトタイプが作成されてからほぼ 2 世紀にわたり、それらを改善するために多くの作業が行われてきました。 一般に、燃料電池から得られる最終的なエネルギーは、酸化還元反応の動力学、電池の内部抵抗、および反応ガスとイオンの触媒活性成分への物質移動に依存します。 何年にもわたって、次のような多くの改善が元のアイデアに対して行われてきました。

1) 白金ナノ粒子を含む炭素に基づく電極を白金線に置き換える。 2) イオン輸送を促進するための、ナフィオンなどの高い伝導性と選択性の膜の発明。 ３）触媒層、例えば、炭素ベース上に分散された白金ナノ粒子をイオン交換膜と組み合わせ、最小の内部抵抗を有する膜電極ユニットをもたらす。 4) 水素と酸素を溶液で直接希釈する代わりに、水素と酸素を触媒表面に送達するための流れ場の使用と最適化。

これらの改良やその他の改良により、最終的にトヨタ ミライなどの車両に使用できるほど効率的な技術が完成しました。

水酸化物交換膜を備えた燃料電池

デラウェア大学は、水酸化物交換膜を用いた燃料電池の開発に関する研究を行っています - HEMFCs (水酸化物交換膜燃料電池)。 プロトン交換膜の代わりに水酸化物交換膜を備えた燃料電池 - PEMFC (プロトン交換膜燃料電池) - は、PEMFC の大きな問題の 1 つ (触媒の安定性の問題) に直面することは少なくなります。酸性のもので。 アルカリ溶液中の触媒の安定性は、金属の溶解が高 pH よりも低 pH でより多くのエネルギーを放出するという事実により、より高くなります。 この研究室での研究のほとんどは、水素酸化および酸素還元反応をさらに効率的に加速するための新しい陽極および陰極触媒の開発にも専念しています。 さらに、このような膜の導電率と耐久性は、プロトン交換膜と競合するためにまだ改善されていないため、研究室は新しい水酸化物交換膜を開発しています。

新規触媒の探索

酸素還元反応における過電圧損失の理由は、この反応の中間生成物間の線形スケール関係によって説明されます。 この反応の従来の 4 電子メカニズムでは、酸素が順次還元され、中間生成物 (OOH*、O*、OH*) が生成され、最終的に触媒表面に水 (H2O) が形成されます。 個々の触媒への中間生成物の吸着エネルギーは相互に高度に相関しているため、少なくとも理論的には過電圧損失が発生しない触媒はまだ見つかっていません。 この反応の速度は遅いですが、HEMFC のように酸性媒体からアルカリ性媒体に変更しても、それほど影響はありません。 しかし、水素の酸化反応速度はほぼ半減しており、その原因究明や新触媒の発見に向けた研究が進んでいます。

燃料電池の利点

炭化水素燃料とは対照的に、燃料電池は、完全ではないにしても環境にやさしく、その活動の結果として温室効果ガスを生成しません。 さらに、彼らの燃料（水素）は、水の加水分解によって得られるため、原則として再生可能です。 このように、水素燃料電池は将来、エネルギー生産プロセスの一部になることが約束されています。そこでは、太陽エネルギーと風力エネルギーを使用して水素燃料を生成し、それを燃料電池で使用して水を生成します。 したがって、サイクルは閉じられ、二酸化炭素排出量は残りません。

燃料電池は、二次電池とは異なり、充電する必要がなく、必要なときにすぐにエネルギーを供給できるという利点があります。 つまり、たとえば車両の分野で適用された場合、消費者側にはほとんど変化がありません。 太陽エネルギーや風力エネルギーとは異なり、燃料電池は継続的にエネルギーを生成でき、外部条件への依存度がはるかに低くなります。 同様に、地熱エネルギーは特定の地域でしか利用できませんが、燃料電池にはこの問題はありません。

水素燃料電池は、携帯性と規模の柔軟性から、最も有望なエネルギー源の 1 つです。

水素貯蔵の複雑さ

現在の膜と触媒の欠点に関する問題に加えて、燃料電池の他の技術的問題は、水素燃料の貯蔵と輸送に関連しています。 水素は単位体積あたりの比エネルギー (特定の温度と圧力における単位体積あたりのエネルギー量) が非常に小さいため、車両で使用するには非常に高い圧力で貯蔵する必要があります。 そうしないと、必要な量の燃料を保管するためのコンテナのサイズが非常に大きくなります。 これらの水素貯蔵の制限のため、金属水素化物燃料電池のように、ガス状以外のものから水素を生成する方法を見つける試みがなされてきました。 ただし、トヨタ ミライなどの現在の民生用燃料電池アプリケーションでは、超臨界水素 (温度が 33 K を超え、圧力が 13.3 気圧を超える、つまり臨界値を超える水素) が使用されており、現在ではこれが最も便利なオプションです。

地域の視点

太陽エネルギーを使用して水から水素を得るという既存の技術的困難と問題により、近い将来、研究は主に水素の代替源を見つけることに集中する可能性があります。 よく知られているアイデアの 1 つは、燃料電池で水素の代わりにアンモニア (窒化水素) を直接使用するか、アンモニアから水素を生成することです。 この理由は、アンモニアは圧力の面で要求が少なく、保管と移動がより便利になるためです. さらに、アンモニアは炭素を含まないため、水素源として魅力的です。 これにより、メタンから生成される水素中の一部のCOによる触媒被毒の問題が解決されます。

将来的には、燃料電池は車両技術や住宅地などの分散型エネルギー生成に幅広い用途を見つける可能性があります。 現在、主なエネルギー源として燃料電池を使用するには多額の費用がかかるという事実にもかかわらず、より安価で効率的な触媒、高い伝導率を備えた安定した膜、および水素の代替供給源が見つかれば、水素燃料電池は非常に高度なものになる可能性があります。経済的に魅力的。

燃料電池の化学プロセス

燃料電池は、電気化学プロセスを使用して水素と空気中の酸素を結合します。 電池と同様に、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）と接触すると、後者はプロトンと電子に分離されます。 陽子は、陽子交換膜 (POM) 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。 この反応の副産物として、水の形成を伴う水素と酸素分子の化学的結合があります。 燃料電池からの唯一の排出物は水蒸気です。
燃料電池によって生成された電気は、車両の電気パワートレイン (電力コンバーターと AC 誘導モーターで構成される) で使用され、車両を推進するための機械エネルギーを提供します。 電力変換器の役割は、燃料電池で生成された直流を車両のトラクション モーターで使用される交流に変換することです。

プロトン交換膜を用いた燃料電池の模式図:
1 - 陽極;
2 - プロトン交換膜 (REM);
3 - 触媒（赤）;
4 - カソード

プロトン交換膜燃料電池 (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。

セパレート型燃料電池

燃料電池の仕組みを考えてみましょう。 燃料電池の陰極であるアノードは、外部の電気回路 (回路) で使用できるように水素分子から解放された電子を伝導します。 これを行うために、チャネルが刻まれ、水素が触媒の表面全体に均等に分配されます。 カソード (燃料電池の正極) には、触媒の表面に酸素を分配するチャネルが刻まれています。 また、外部回路 (回路) から触媒に電子を伝導し、そこで水素イオンおよび酸素と結合して水を生成することができます。 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、電子の通過をブロックする能力があります。
触媒は、酸素と水素の反応を促進する特殊な物質です。 触媒は通常、カーボン紙または布の上に非常に薄い層で堆積されたプラチナ粉末から作られています。 触媒は、その表面ができるだけ水素や酸素と接触できるように、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 (POM) の前にあります。
水素ガス（Ｈ ２ ）は、アノード側から圧力下で燃料電池に供給される。 H2 分子が触媒上の白金と接触すると、2 つの部分、2 つのイオン (H+) と 2 つの電子 (e–) に分割されます。 電子はアノードを通って伝導され、そこで外部回路 (回路) を通過し、有用な仕事 (電気モーターの駆動など) を行い、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から、酸素ガス (O 2 ) 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、膜を横切って 2 つの H+ イオンを引き寄せ、そこで酸素原子と外側のループ (鎖) 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は、約 0.7 ワットの電力を生成します。 必要な出力まで上げるには、個々の燃料電池をたくさん組み合わせて燃料電池スタックを構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、動作温度まですばやく加熱でき、高価な冷却システムを必要としません。 これらの電池に使用される技術と材料の継続的な改善により、その出力は、自動車のトランクの小さな部分を占める燃料電池のバッテリーが、自動車を駆動するために必要なエネルギーを供給できるレベルに近づいています。
過去数年間、世界の大手自動車メーカーのほとんどは、燃料電池を使用した自動車設計の開発に多額の投資を行ってきました。 かなり高価ではあったが、十分な出力と動特性を備えた燃料電池車がすでに多くの車で実証されている。
そのような車の設計を改善することは非常に集中的です。

燃料電池車、車両の床下にある発電所を利用

NECAR V 車両は、メルセデスベンツ A クラス車両をベースにしており、発電所全体と燃料電池が車両の床下に配置されています。 このような建設的な解決策により、車内に4人の乗客と荷物を収容することが可能になります。 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ています。 メタノールは、改質器 (メタノールを水素に変換する装置) の助けを借りて水素に変換されます。水素は、燃料電池に電力を供給するために必要です。 車に搭載された改質器を使用すると、ほとんどすべての炭化水素を燃料として使用できるようになり、既存のガソリンスタンドネットワークを使用して燃料電池車に燃料を補給することが可能になります。 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、そのような車両の環境への魅力がいくらか低下します。
1989 年から燃料電池事業に携わってきたホンダは、2003 年にプロトン交換型燃料電池を搭載した Honda FCX-V4 車を少量生産しました。 メンブレンタイプバラード社。 これらの燃料電池は 78 kW を生成します 電力、および駆動輪を駆動するために出力60kW、トルク272N・mのトラクションモーターが使用されています.燃料電池車は、従来の自動車と比較して質量が約40％少なく、優れた性能を提供します.ダイナミクス、および圧縮水素の供給により、最大 355 km の走行が可能になります。

ホンダ FCX は、燃料電池の電力を使用して自走します。
ホンダ FCX は、米国で政府認証を受けた世界初の燃料電池車です。 車はZEV認定 - ゼロ・エミッション・ビークル（ゼロ・ポリューション・ビークル）です。 ホンダはこれらの車をまだ販売する予定はありませんが、1 台あたり約 30 台の車をリースしています。 水素燃料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 コンセプトカーには燃料電池発電所が搭載されています

ゼネラルモーターズは、燃料電池車の開発と製造に関する大規模な研究を行っています。

ハイワイヤー車両シャーシ

GM Hy Wire コンセプトカーは 26 件の特許を取得しています。 車の基本は、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、および水素を使用した車両制御システムがあります。 最新の技術ワイヤーによる電子制御。 Hy Wire 車のシャシーは、水素ボンベ、燃料電池、バッテリー、電気モーター、制御システムなど、車の主要な構造要素をすべて含む薄いプラットフォームです。 この設計アプローチにより、運転中に車体を変更することが可能になり、同社は実験的な Opel 燃料電池車のテストや、燃料電池生産プラントの設計も行っています。

液化水素用の「安全な」燃料タンクの設計:
1 - 充填装置。
2 - アウタータンク。
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 - 断熱材と真空。
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、BMW によって非常に注目されています。 宇宙研究における液化水素の使用に関する研究で知られる Magna Steyer と協力して、BMW は自動車で使用できる液化水素燃料タンクを開発しました。

液体水素を燃料タンクに使用する安全性を試験で確認

同社は、標準的な方法に従って構造の安全性に関する一連のテストを実施し、その信頼性を確認しました。
2002年のフランクフルト・モーターショー（ドイツ）では、液化水素を燃料とするミニ・クーパー・ハイドロジェンが出展された。 燃料タンクこの車は、従来のガソリンタンクと同じスペースを占有します。 この車の水素は、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 は初の量産型燃料電池車である BMW 750 hL の発売を発表しました。 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。 この車は水素を燃料とする12気筒の内燃エンジンを搭載しており、燃料電池が従来のバッテリーの代替として機能するため、エンジンを切った状態で長時間駐車してもエアコンやその他の消費者が作動します。

水素の給油はロボットが行い、ドライバーは関与しません。

同じ会社である BMW は、液化水素を自動車に迅速かつ安全に給油するロボット燃料ディスペンサーも開発しました。
近年、代替燃料と代替推進システムを使用する自動車の開発を目的とした多数の開発が行われていることは、過去 100 年間自動車を支配していた内燃機関が最終的にはよりクリーンで効率的で静かな設計に取って代わられることを示しています。 それらの広範な使用は現在、技術的な理由ではなく、経済的および社会的問題によって妨げられています. それらが広く使用されるためには、代替燃料の生産の開発、新しいガソリンスタンドの作成と配布、および多くの心理的障壁を克服するための特定のインフラストラクチャを作成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、深刻な安全対策を講じて、貯蔵、配送、流通の問題に対処する必要があります。
理論的には、水素は無制限に利用できますが、その製造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動作するように変換するには、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。まず、その動作をガソリンからメタノールに移行し、その後しばらくの間、水素に移行します。 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。

説明：

この記事では、それらの構造、分類、長所と短所、範囲、効率、作成の歴史、および現代の使用の見通しについて、より詳細に説明します。

燃料電池を使用して建物に電力を供給する

パート1

この記事では、燃料電池の動作原理、その設計、分類、長所と短所、範囲、効率、作成の歴史、および現代の使用の見通しについて詳しく説明します。 記事の後半で ABOK マガジンの次号に掲載される予定の では、さまざまな種類の燃料電池が熱源および電力源 (または電力のみ) として使用された施設の例を紹介しています。

序章

燃料電池は、エネルギーを生成するための非常に効率的で信頼性が高く、耐久性があり、環境に優しい方法です。

当初は宇宙産業でのみ使用されていた燃料電池は、現在、定置型発電所、建物の熱と電源、車両エンジン、ラップトップや携帯電話の電源など、さまざまな分野でますます使用されています。 これらのデバイスの一部は実験室のプロトタイプであり、一部はプレシリーズ テストを受けているか、デモンストレーション目的で使用されていますが、多くのモデルは大量生産され、商業プロジェクトで使用されています。

燃料電池 (電気化学発電機) は、固体、液体、気体燃料の燃焼を使用する従来の技術とは異なり、電気化学反応の過程で燃料 (水素) の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するデバイスです。 燃料の電気化学的直接変換は、運転中に放出される汚染物質の量が最小限であり、強い騒音や振動がないため、環境の観点から非常に効率的で魅力的です。

実用的な観点からは、燃料電池は従来のガルバニ電池に似ています。 違いは、最初にバッテリーが充電されている、つまり「燃料」で満たされているという事実にあります。 稼働中は「燃料」が消費され、バッテリーが放電されます。 燃料電池は、バッテリーとは異なり、外部から供給される燃料を使用して電気エネルギーを生成します（図1）。

電気エネルギーの生成には、純粋な水素だけでなく、天然ガス、アンモニア、メタノール、ガソリンなどの他の水素含有原材料も使用できます。 通常の空気は、反応に必要な酸素源としても使用されます。

純粋な水素を燃料として使用すると、電気エネルギーに加えて、反応生成物は熱と水 (または水蒸気) になります。つまり、大気汚染や温室効果の原因となるガスが大気中に放出されることはありません。 天然ガスなどの水素含有原料を燃料として使用すると、炭素や窒素の酸化物などの他のガスが反応の副産物になりますが、その量は同じものを燃焼させる場合よりもはるかに少なくなります。天然ガスの量。

水素を生成するために燃料を化学変換するプロセスは改質と呼ばれ、対応する装置は改質器と呼ばれます。

燃料電池のメリットとデメリット

燃料電池のエネルギー効率には熱力学的な制限がないため、燃料電池は内燃機関よりもエネルギー効率が高くなります。 燃料電池の効率は 50% ですが、内燃機関の効率は 12 ～ 15% であり、蒸気タービン発電所の効率は 40% を超えません。 熱と水を利用することで、燃料電池の効率をさらに高めます。

たとえば、内燃エンジンとは対照的に、燃料電池の効率は、フルパワーで動作していない場合でも非常に高いままです。 さらに、個別のブロックを追加するだけで燃料電池の出力を高めることができますが、効率は変わりません。つまり、大きな設備でも小さな設備と同じくらい効率的です。 これらの状況により、顧客の希望に応じて非常に柔軟に機器の構成を選択することができ、最終的には機器のコスト削減につながります。

燃料電池の重要な利点は、環境への配慮です。 燃料電池からの大気への排出量は非常に少ないため、米国の一部の地域では、政府の大気質機関からの特別な許可を必要としません。

燃料電池は建物に直接設置できるため、エネルギーの伝達ロスが少なく、反応で発生する熱を利用して建物に熱や給湯を供給することができます。 自律的な熱源と電力供給源は、僻地や電力不足と高コストを特徴とする地域では非常に有益ですが、同時に水素含有原材料（石油、天然ガス）の埋蔵量があります。 .

燃料電池の利点は、燃料の入手可能性、信頼性 (燃料電池には可動部品がない)、耐久性、および操作の容易さでもあります。

今日の燃料電池の主な欠点の 1 つは比較的高いコストですが、この欠点はすぐに克服できます。燃料電池の商用サンプルを製造する企業がますます増えており、燃料電池は絶えず改善されており、コストは低下しています。

ただし、純粋な水素を燃料として最も効率的に使用するには、その製造と輸送のための特別なインフラストラクチャを作成する必要があります。 現在、すべての商用設計は天然ガスおよび類似の燃料を使用しています。 自動車は通常のガソリンを使用できます。これにより、既存の開発されたガソリンスタンドのネットワークを維持できます。 しかしながら、そのような燃料の使用は、大気中への有害な放出につながり（非常に低いとはいえ）、燃料電池を複雑にし（したがってコストを増加させる）。 将来的には、環境にやさしい再生可能エネルギー源（太陽光や風力など）を利用して、電気分解によって水を水素と酸素に分解し、その燃料を燃料電池で変換する可能性が検討されています。 クローズド サイクルで動作するこのような複合プラントは、完全に環境にやさしく、信頼性が高く、耐久性があり、効率的なエネルギー源となります。

燃料電池のもう 1 つの特徴は、電気エネルギーと熱エネルギーを同時に使用するときに最も効率的であるということです。 ただし、熱エネルギーを使用する可能性は、すべての施設で利用できるわけではありません。 電気エネルギーを生成するためだけに燃料電池を使用する場合、効率は低下しますが、「従来の」設備の効率を上回ります。

燃料電池の歴史と現代の用途

燃料電池の動作原理は 1839 年に発見されました。 英国の科学者ウィリアム・グローブ (1811-1896) は、電気分解のプロセス (電流によって水を水素と酸素に分解するプロセス) が可逆的であることを発見しました。熱と電流の放出。 Grove は、このような反応が行われる装置を「ガス電池」と呼び、これが最初の燃料電池でした。

燃料電池技術の活発な開発は、第二次世界大戦後に始まり、航空宇宙産業に関連しています。 当時、効率的で信頼性が高く、同時に非常にコンパクトなエネルギー源の探索が行われました。 1960 年代、NASA の専門家 (米国航空宇宙局、NASA) は、アポロ (月への有人飛行)、アポロ ソユーズ、ジェミニ、スカイラブ プログラムの宇宙船の動力源として燃料電池を選択しました。 アポロは、極低温水素と酸素を使用して電気、熱、水を生成する 3 つの 1.5 kW ユニット (2.2 kW ピーク出力) を使用しました。 各装置の質量は 113 kg でした。 これらの 3 つのセルは並行して動作しましたが、1 つのユニットによって生成されたエネルギーは安全に戻るのに十分でした。 18回の飛行中、燃料電池は故障なしで合計10,000時間蓄積されました。 現在、燃料電池はスペースシャトル「スペースシャトル」に使用されており、12Wの電力を持つ3つのユニットを使用して、宇宙船に搭載されたすべての電気エネルギーを生成します（図2）。 電気化学反応によって得られた水は、飲料水や冷却装置などに利用されています。

わが国では、宇宙飛行用の燃料電池を作る作業も進行中でした。 たとえば、燃料電池は、ソ連のブラン スペースシャトルに電力を供給するために使用されました。

燃料電池の商用利用方法の開発は、1960 年代半ばに始まりました。 これらの開発は、政府機関によって部分的に資金提供されました。

現在、燃料電池を使用するための技術の開発は、いくつかの方向に進んでいます。 これは、燃料電池の固定発電所（集中型および分散型エネルギー供給の両方）、車両の発電所（我が国を含め、燃料電池を使用した自動車とバスのサンプルが作成されています）の作成です（図3）、およびまた、さまざまなモバイル デバイス (ラップトップ、携帯電話など) の電源にも使用されています (図 4)。

さまざまな分野での燃料電池の使用例を表に示します。 1.

建物の自律的な熱と電力の供給のために設計された燃料電池の最初の商用モデルの 1 つは、ONSI Corporation (現在の United Technologies, Inc.) によって製造された PC25 モデル A でした。 公称出力が 200 kW のこの燃料電池は、リン酸をベースにした電解液を使用するタイプの電池 (Phosphoric Acid Fuel Cells、PAFC) に属します。 モデル名の数字「25」は、デザインのシリアルナンバーを意味します。 それ以前のモデルは、1970年代に登場した12.5kWの「PC11」モデルなど、ほとんどが実験用またはテストピースでした。 新しいモデルでは、単一の燃料電池から得られる電力が増加し、生成されるエネルギー 1 キロワットあたりのコストも削減されました。 現在、最も効率的な商用モデルの 1 つは、PC25 モデル C 燃料電池です。 モデル「A」と同様に、これは200 kWの出力を持つPAFCタイプの全自動燃料電池で、独立した熱と電気の供給源としてサービス対象物に直接設置するように設計されています。 このような燃料電池は、建物の外に設置することができます。 外見は、長さ 5.5 m、幅 3 m、高さ 3 m、重さ 18,140 kg の平行六面体です。 従来モデルとの違いは、改良された改質器とより高い電流密度です。

一部のタイプの燃料電池では、化学プロセスを逆にすることができます。電極に電位差を加えることで、水を水素と酸素に分解し、多孔質電極に集めます。 負荷が接続されると、このような回生型燃料電池は電気エネルギーを生成し始めます。

燃料電池の有望な方向性は、太陽光発電パネルや風力タービンなどの再生可能エネルギー源と組み合わせて使用​​することです。 この技術により、大気汚染を完全に回避できます。 同様のシステムが、たとえばオーバーリンのアダム ジョセフ ルイス トレーニング センターで作成される予定です (ABOK、2002 年、No. 5、p. 10 を参照)。 現在、この建物のエネルギー源の 1 つとしてソーラー パネルが使用されています。 NASA の専門家と共同で、太陽光発電パネルを使用して、電気分解によって水から水素と酸素を生成するプロジェクトが開発されました。 その後、水素は燃料電池で電気エネルギーを生成するために使用され、 お湯. これにより、建物は曇りの日と夜間にすべてのシステムのパフォーマンスを維持できます。

燃料電池の動作原理

例として、プロトン交換膜 (Proton Exchange Membrane、PEM) を備えた最も単純な要素を使用した燃料電池の動作原理を考えてみましょう。 このような要素は、アノード（正電極）とカソード（負電極）の間に配置された高分子膜と、アノードおよびカソード触媒から構成されます。 電解質には高分子膜を使用しています。 PEM 要素の図を図 1 に示します。 五。

プロトン交換膜 (PEM) は、薄い (普通紙の厚さ約 2 ～ 7 枚) 固体有機化合物です。 この膜は電解質として機能します。水の存在下で物質を正と負に帯電したイオンに分離します。

酸化プロセスはアノードで発生し、還元プロセスはカソードで発生します。 PEMセルのアノードとカソードは、炭素と白金の粒子の混合物である多孔質材料でできています。 白金は解離反応を促進する触媒として働きます。 アノードとカソードは、水素と酸素がそれぞれ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、水素と酸素をアノードとカソードに供給し、熱と水、および電気エネルギーを除去する 2 枚の金属板の間に配置されます。

水素分子はプレート内のチャネルを通ってアノードに到達し、そこで分子は個々の原子に分解されます (図 6)。

次に、触媒の存在下での化学吸着の結果として、それぞれが1つの電子e - を供与する水素原子は、正電荷を帯びた水素イオンH +、すなわちプロトンに変換されます(図7)。

正に帯電した水素イオン (プロトン) は、膜を通ってカソードに拡散し、電子の流れは、負荷 (電気エネルギーの消費者) が接続されている外部電気回路を通ってカソードに向けられます (図 8)。

カソードに供給された酸素は、触媒の存在下で、プロトン交換膜からの水素イオン（プロトン）および外部電気回路からの電子と化学反応を起こします（図9）。 化学反応の結果として、水が形成されます。

他のタイプの燃料電池 (たとえば、リン酸 H 3 PO 4 の溶液である酸性電解質を使用) での化学反応は、プロトン交換膜を使用した燃料電池での化学反応とまったく同じです。

燃料電池では、化学反応のエネルギーの一部が熱として放出されます。

外部回路内の電子の流れは、仕事をするために使用される直流です。 外部回路を開くか、水素イオンの移動を停止すると、化学反応が停止します。

燃料電池によって生成される電気エネルギーの量は、燃料電池の種類、幾何学的寸法、温度、ガス圧によって異なります。 単一の燃料電池は 1.16 V 未満の EMF を提供します。燃料電池のサイズを大きくすることは可能ですが、実際には複数のセルが使用され、バッテリーに接続されます (図 10)。

燃料電池装置

PC25 モデル C モデルの例で燃料電池デバイスを考えてみましょう。 燃料電池のスキームを図1に示します。 十一。

燃料電池「PC25 Model C」は、主に燃料処理部、実発電部、電圧変換部の3つの部分で構成されています。

燃料電池の主要部分である発電部は、256個の燃料電池を組み合わせたスタックです。 燃料電池電極の組成物は白金触媒を含む。 これらのセルを介して、155 ボルトの電圧で 1,400 アンペアの直流電流が生成されます。 バッテリーの寸法は、長さが約 2.9 m、幅と高さが約 0.9 m です。

電気化学プロセスは177°Cの温度で行われるため、起動時にバッテリーを加熱し、動作中にバッテリーから熱を除去する必要があります。 これを行うために、燃料電池には別の水回路が含まれており、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。

燃料プロセッサを使用すると、電気化学反応に必要な水素に天然ガスを変換できます。 この工程をリフォームといいます。 燃料処理装置の主要な要素は改質器です。 改質器では、天然ガス (または他の水素含有燃料) がニッケル触媒の存在下で高温 (900 °C) および高圧で蒸気と反応します。 次の化学反応が起こります。

CH 4 (メタン) + H 2 O 3H 2 + CO

(吸熱反応、熱吸収あり);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

（反応は発熱であり、熱が放出されます）。

全体的な反応は次の式で表されます。

CH 4 (メタン) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(吸熱反応、熱吸収あり)。

天然ガス変換に必要な高温を提供するために、燃料電池スタックからの使用済み燃料の一部は、改質器を必要な温度に維持するバーナーに送られます。

改質に必要な蒸気は、燃料電池の運転中に形成される凝縮液から生成されます。 この場合、燃料電池スタックから奪われる熱が利用されます（図12）。

燃料電池スタックは、低電圧と大電流を特徴とする断続的な直流電流を生成します。 電圧変換器を使用して、工業規格の AC に変換します。 さらに、電圧変換ユニットには、さまざまな制御デバイスと安全インターロック回路が含まれており、さまざまな障害が発生した場合に燃料電池をオフにすることができます。

このような燃料電池では、燃料中のエネルギーの約４０％を電気エネルギーに変換することができる。 燃料エネルギーの約40％とほぼ同量をエネルギーに変換し、暖房や給湯などの熱源として利用します。 したがって、そのようなプラントの総効率は80％に達する可能性があります。

このような熱源と電気源の重要な利点は、その可能性です。 自動運転. メンテナンスのために、燃料電池が設置されている施設の所有者は、特別な訓練を受けた人員を維持する必要はありません。定期的なメンテナンスは、運営組織の従業員が行うことができます。

燃料電池の種類

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る。 次の 4 つのタイプが最も広く普及しています (表 2)。

1. プロトン交換膜を備えた燃料電池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells、PEMFC)。

2. オルトリン酸 (リン酸) に基づく燃料電池 (Phosphoric Acid Fuel Cells、PAFC)。

3. 溶融炭酸塩に基づく燃料電池 (溶融炭酸塩燃料電池、MCFC)。

4. 固体酸化物燃料電池 (固体酸化物燃料電池、SOFC)。 現在、PAFC技術に基づいて最大の燃料電池が製造されています。

さまざまな種類の燃料電池の重要な特性の 1 つは動作温度です。 多くの点で、燃料電池の適用範囲を決定するのは温度です。 たとえば、ラップトップでは高温が重要であるため、この市場セグメント向けに、動作温度が低いプロトン交換膜燃料電池が開発されています。

建物の自律的な電力供給には、大容量の燃料電池が必要であり、同時に熱エネルギーを利用できるため、他のタイプの燃料電池もこれらの目的に使用できます。

プロトン交換膜燃料電池 (PEMFC)

これらの燃料電池は、比較的低い動作温度 (60 ～ 160°C) で動作します。 電力密度が高いという特徴があり、出力電力をすばやく調整でき、すぐにオンにすることができます。 このタイプの要素の欠点は、汚染された燃料が膜を損傷する可能性があるため、燃料の品質に対する要件が高いことです。 このタイプの燃料電池の定格出力は 1 ～ 100 kW です。

プロトン交換膜燃料電池は、もともと 1960 年代にゼネラル エレクトリック社が NASA のために開発したものです。 このタイプの燃料電池は、プロトン交換膜 (PEM) と呼ばれる固体ポリマー電解質を使用します。 プロトンはプロトン交換膜を通過できますが、電子は通過できないため、カソードとアノードの間に電位差が生じます。 そのシンプルさと信頼性から、このような燃料電池はジェミニ有人宇宙船の電源として使用されました。

このタイプの燃料電池は、携帯電話からバス、定置用電力システムまで、プロトタイプやプロトタイプを含むさまざまなデバイスの電源として使用されています。 動作温度が低いため、このようなセルを使用して、さまざまなタイプの複雑な電子デバイスに電力を供給することができます。 効率が悪いのは、大量の熱エネルギーが必要な公共および工業用建物の熱源および電力供給源としての使用です。 同時に、このような要素は、暑い気候の地域に建てられたコテージなどの小規模な住宅用建物の自律的な電源として有望です。

リン酸燃料電池 (PAFC)

このタイプの燃料電池のテストは、1970 年代初頭にすでに実施されていました。 動作温度範囲 - 150 ～ 200 °C。 アプリケーションの主な分野は、自律的な熱源と中電力（約200 kW）の電源です。

これらの燃料電池で使用される電解質は、リン酸の溶液です。 電極は、白金触媒を分散させたカーボンでコーティングされた紙でできています。

PAFC 燃料電池の電気効率は 37 ～ 42% です。 しかし、これらの燃料電池は十分に高い温度で動作するため、動作によって発生する蒸気を利用することができます。 この場合、全体の効率は 80% に達する可能性があります。

エネルギーを生成するには、水素含有原料を改質プロセスによって純粋な水素に変換する必要があります。 たとえば、ガソリンを燃料として使用する場合、硫黄は白金触媒を損傷する可能性があるため、硫黄化合物を除去する必要があります。

PAFC 燃料電池は、経済的に正当化された最初の商用燃料電池です。 最も一般的なモデルは、ONSI Corporation (現 United Technologies, Inc.) 製の 200 kW PC25 燃料電池でした (図 13)。 たとえば、これらの要素は、ニューヨークのセントラル パークにある警察署の熱源と電力源として、またはコンデナスト ビルとフォー タイムズ スクエアの追加のエネルギー源として使用されています。 最も ビッグリグこのタイプの 11 MW の発電所は、日本でテストされています。

リン酸ベースの燃料電池は、車両のエネルギー源としても使用されています。 たとえば、1994 年、H-Power Corp.、ジョージタウン大学、および米国エネルギー省は、バスに 50 kW の発電所を装備しました。

溶融炭酸塩燃料電池 (MCFC)

このタイプの燃料電池は、非常に高い温度 (600 ～ 700 °C) で動作します。 これらの動作温度により、別の改質器を必要とせずに、燃料をセル自体で直接使用できます。 このプロセスを「内部改質」と呼びます。 これにより、燃料電池の設計が大幅に簡素化されます。

溶融炭酸塩に基づく燃料電池は、かなりの起動時間を必要とし、出力電力を迅速に調整できないため、主な用途は熱と電気の大きな固定源です。 ただし、それらは高い燃料変換効率によって区別されます-60％の電気効率と最大85％の全体効率。

このタイプの燃料電池では、電解質は約 650 °C に加熱された炭酸カリウム塩と炭酸リチウム塩で構成されます。 これらの条件下で、塩は溶融状態にあり、電解質を形成します。 アノードでは、水素が CO 3 イオンと相互作用し、水、二酸化炭素を形成して外部回路に送られる電子を放出します。カソードでは、酸素が二酸化炭素と相互作用し、外部回路からの電子を生成して、再び CO 3 イオンを形成します。

このタイプの燃料電池の実験室サンプルは、オランダの科学者 G. H. J. Broers と J. A. A. Ketelaar によって 1950 年代後半に作成されました。 1960 年代、エンジニアのフランシス T. ベーコン (17 世紀の有名な英国の作家であり科学者の子孫) がこれらの要素を研究したため、MCFC 燃料電池はベーコン要素と呼ばれることがあります。 NASA のアポロ、アポロ-ソユーズ、および Scylab プログラムは、まさにそのような燃料電池を電源として使用しました (図 14)。 同じ年に、米軍部門はテキサス インスツルメンツ製の MCFC 燃料電池のいくつかのサンプルをテストしました。このサンプルでは、​​軍用グレードのガソリンが燃料として使用されました。 1970 年代半ば、米国エネルギー省は、次の用途に適した定置型溶融炭酸塩燃料電池を開発するための研究を開始しました。 実用化. 1990 年代には、カリフォルニア州の米国海軍航空基地ミラマーなど、最大定格 250 kW の商用ユニットが多数運用されました。 1996 年、FuelCell Energy, Inc. は、カリフォルニア州サンタクララに 2 MW のプレシリーズ プラントを委託しました。

固体酸化物燃料電池 (SOFC)

固体酸化物燃料電池は設計がシンプルで、700 ～ 1000 °C という非常に高い温度で動作します。 このような高温により、比較的「汚れた」未精製燃料の使用が可能になります。 溶融炭酸塩に基づく燃料電池と同じ機能が、同様の応用分野を決定します - 熱と電気の大きな固定源。

固体酸化物型燃料電池は、PAFC および MCFC 技術に基づく燃料電池とは構造が異なります。 アノード、カソード、および電解質は、特殊グレードのセラミックでできています。 ほとんどの場合、酸化ジルコニウムと酸化カルシウムの混合物が電解質として使用されますが、他の酸化物を使用することもできます。 電解質は、両側が多孔質電極材料でコーティングされた結晶格子を形成します。 構造的には、そのような要素はチューブまたはフラットボードの形で作られているため、エレクトロニクス業界で広く使用されている技術を製造に使用することができます。 その結果、固体酸化物燃料電池は非常に高い温度で動作できるため、電気エネルギーと熱エネルギーの両方を生成するために使用できます。

動作温度が高いと、陰極で酸素イオンが形成され、結晶格子を通って陽極に移動し、そこで水素イオンと相互作用して水を形成し、自由電子を放出します。 この場合、水素はセル内で天然ガスから直接放出されます。つまり、個別の改質器は必要ありません。

1930 年代後半、スイスの科学者 Bauer (Emil Bauer) と Preis (H. Preis) がジルコニウム、イットリウム、セリウム、ランタン、タングステンを使って実験を行ったとき、固体酸化物燃料電池を作成するための理論的基礎が確立されました。電解質として。

このような燃料電池の最初の試作品は、1950 年代後半に多くのアメリカとオランダの企業によって作成されました。 これらの企業のほとんどは、技術的な問題のためにすぐにそれ以上の研究を断念しましたが、そのうちの 1 つである Westinghouse Electric Corp. (現「シーメンス ウェスティングハウス パワー コーポレーション」) に引き継がれました。 同社は現在、今年中に予定されている管状トポロジー固体酸化物燃料電池の商用モデルの予約注文を受け付けています (図 15)。 そのような要素の市場セグメントは 固定設備 250 kW から 5 MW の容量の熱および電気エネルギーの生産用。

SOFC型燃料電池は非常に高い信頼性を示しています。 たとえば、シーメンス ウェスティングハウスの燃料電池プロトタイプは 16,600 時間を記録し、稼働を続けており、世界で最も長い連続燃料電池寿命となっています。

SOFC 燃料電池の高温、高圧の動作モードにより、燃料電池の排出ガスが発電に使用されるガス タービンを駆動するハイブリッド プラントの作成が可能になります。 このような最初のハイブリッド プラントは、カリフォルニア州アーバインで稼働中です。 このプラントの定格出力は 220 kW で、そのうち 200 kW が燃料電池から、20 kW がマイクロタービン発電機からです。