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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 연료 전지들. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전
수소-산소 연료전지는 1838년 영국의 과학자 W. Grove에 의해 발견되었습니다. 그는 물이 수소와 산소로 분해되는 현상을 조사하고 전해조에서 전류가 생성된다는 사실을 발견했습니다. 연료를 태우지 않고 연료를 전기로 변환하는 과정이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 인류는 주로 화력 발전소에서는 석유, 석탄, 가스를 연소하거나 원자력 발전소에서는 핵연료를 연소하여 전기를 얻습니다. 연소와 관련된 과정에는 큰 손실이 수반되므로 연료를 태우지 않고 전기를 생산하는 옵션은 과학자와 엔지니어의 관심을 끌었습니다. 연료전지란? 연구 과정에서 연료전지용 연료를 준비해야 하는 것으로 나타났다. 결국 자연에는 순수한 수소가 없습니다. 메탄이나 천연가스 같은 화석연료에서 추출해야 합니다. 연료전지는 전류의 화학적 공급원이므로 양극, 음극 및 전해질로 구성됩니다(그림 참조).
양극에서는 환원제(수소)가 산화되어 전자를 외부 회로로 방출하고 양전하를 띤 H+ 이온이 전해질로 들어갑니다. 체인의 다른 쪽 끝에서 전자가 공기 (산소)가 공급되는 음극에 접근하고 환원 반응이 발생합니다 (산화제-산소에 의한 전자 추가). 양전하를 띤 수소 이온(양성자)은 전해질을 통해 음극으로 이동하여 음극 산소 이온과 결합하여 물 H2O를 형성합니다. 전극과 전해질은 반응에 참여하지 않습니다. 따라서 연료전지에는 수소와 산소가 공급되어야 하고, 물도 제거되어야 하며, 전류도 제거되어야 한다. 수소 생산의 문제로 인해 다른 환원제, 특히 석탄에서 비교적 쉽게 얻을 수 있는 일산화탄소 CO를 사용하려는 시도가 이루어졌습니다. 30세기 2년대. 독일 연구원 E. Bauer는 석탄의 직접 양극 산화를 위한 고체 전해질을 갖춘 실험실 설비를 만들었습니다. 현재 석탄 외에도 거의 모든 유기 연료를 사용할 수 있습니다. 이러한 연료 전지에서는 물 대신에 출력 생성물은 이산화탄소 COXNUMX입니다. 연료 전지가 전기 공급원으로서 매력적인 이유는 무엇입니까? 첫째, 화력발전소보다 환경친화적이다. 수소-산소 연료전지는 물을 생산하고, 탄소 연료전지는 화력발전소보다 전력 단위당 훨씬 적은 양의 이산화탄소를 생산합니다. 둘째, 약 40~60%의 높은 효율을 갖는다(대형화력발전소는 약 30%). 현재 최대 90% 효율의 기술이 개발됐다. 이를 통해 화석연료 소비를 최소 2배 이상 줄일 수 있습니다. 셋째, 연료 신뢰성이 비정상적으로 높습니다. 무고장 작동 확률은 "99,99999%"로 추정됩니다. 연료 전지 유형 이러한 유형은 연료전지에 사용되는 전해질의 유형에 따라 결정됩니다. 1. 인산. 이러한 형태의 연료전지는 현재 대량 생산되고 있습니다. 그 중 200개 이상이 이미 병원, 호텔, 학교, 사무실에 설치되었습니다. 효율은 40%이지만, 또한 출력 제품인 뜨거운 증기가 사용됩니다. 이러한 연료 전지의 작동 온도는 약 200°C입니다. 2. 양성자 교환막. 이러한 요소는 더 낮은 온도(약 100°C)에서 작동합니다. 양성자 교환막은 양성자가 통과할 수 있도록 하는 얇은 플라스틱 층입니다. 플라스틱의 양면은 활성 촉매인 금속 입자(주로 백금) 층으로 코팅되어 있습니다. 이러한 유형의 연료 전지는 자동차에 가장 유망하며 배터리 및 축전지를 대체할 수 있는 것으로 간주됩니다. 3. 용융된 탄산염. 이 전해질을 사용하는 셀은 약 700°C의 온도에서 작동하며 수소, 일산화탄소, 천연가스, 프로판, 디젤 연료 및 기타 물질을 처리할 수 있습니다. 10kW에서 2MW까지의 용량을 갖춘 산업용 설비가 개발되었습니다. 이러한 연료전지는 고정식 발전소로서 유망하다. 4. 고체 산화물. 액체 전해질 대신 고체 세라믹 소재를 사용한다. 이러한 연료전지의 작동온도는 최대 1000°C이다. 효율성은 60%에 도달합니다. 220kW 출력의 연료전지가 시연됐다. 이러한 연료전지는 강력한 발전소로서 유망하다. 5. 알칼리성 전해질. 이러한 전해질(KOH)을 갖춘 연료전지는 오랫동안 미국 우주선에서 사용되어 왔습니다. 효율성은 70%에 이릅니다. 그러나 상업용 애플리케이션의 경우 여전히 너무 비쌉니다. 6. 메탄올. 이러한 셀의 구조는 양성자 교환막이 있는 셀과 유사하지만 액체 메탄올에서 수소를 추출하도록 설계되었습니다. 효율은 약 40%이다. 작동 온도 50-90°C. 7. 재생 연료 전지. 이러한 유형의 연료전지가 연구 중이다. 폐쇄 루프를 사용합니다. 물은 태양전지 전해조에 의해 수소와 산소로 분리됩니다. 수소와 산소는 연료전지에 공급되어 전기, 열, 물을 생산합니다. 물은 다시 전해조로 재활용되고 공정이 반복됩니다. 이러한 유형의 연료 전지는 우주선과 정거장에 유망합니다.
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