지속 가능한 기술 소개: 연료 전지. 연료 전지들

연료 전지/전지의 이점

연료 전지/셀은 전기화학적 반응을 통해 수소가 풍부한 연료로부터 직류와 열을 효율적으로 발생시키는 장치이다.

연료 전지는 화학 반응을 통해 직류를 생성한다는 점에서 배터리와 유사합니다. 연료 전지는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함한다. 그러나 배터리와 달리 연료 전지/전지는 저장할 수 없습니다. 전기 에너지, 방전하지 않고 재충전을 위해 전기를 필요로 하지 않습니다. 연료 전지/전지는 연료와 공기가 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산할 수 있습니다.

모터와 같은 다른 발전기와 달리 내부 연소또는 가스, 석탄, 오일 등으로 작동하는 터빈의 경우 연료 전지/전지는 연료를 연소하지 않습니다. 이것은 시끄러운 고압 로터, 시끄러운 배기 소음, 진동이 없음을 의미합니다. 연료 전지/전지는 조용한 전기화학 반응을 통해 전기를 생성합니다. 연료 전지/전지의 또 다른 특징은 연료의 화학 에너지를 직접 전기, 열 및 물로 변환한다는 것입니다.

연료 전지는 고효율이며 이산화탄소, 메탄 및 아산화질소와 같은 온실 가스를 많이 생성하지 않습니다. 운전 중 배출되는 유일한 생성물은 수증기 형태의 물과 소량의 이산화탄소로 순수 수소를 연료로 사용하면 전혀 배출되지 않습니다. 연료 전지/전지는 어셈블리로 조립된 다음 개별 기능 모듈로 조립됩니다.

연료전지/전지 개발의 역사

1950년대와 1960년대에 연료 전지에 대한 가장 큰 도전 중 하나는 장기간 우주 임무를 위한 에너지원에 대한 미국 항공 우주국(NASA)의 필요성에서 태어났습니다. NASA의 Alkaline Fuel Cell/Cell은 수소와 산소를 연료로 사용하여 전기화학 반응에서 두 가지를 결합합니다. 출력은 우주선에 유용한 반응의 세 가지 부산물입니다. 우주선에 전력을 공급하기 위한 전기, 식수 및 냉각 시스템을 위한 물, 우주 비행사를 따뜻하게 유지하기 위한 열입니다.

연료 전지의 발견은 19세기 초로 거슬러 올라갑니다. 연료 전지의 효과에 대한 첫 번째 증거는 1838년에 얻어졌습니다.

1930년대 후반에 알칼리 연료 전지에 대한 연구가 시작되었고 1939년에는 고압 니켈 도금 전극을 사용하는 전지가 제작되었습니다. 제2차 세계 대전 중에 영국 해군 잠수함용 연료 전지/전지가 개발되었으며 1958년에는 직경이 25cm가 조금 넘는 알칼리 연료 전지/전지로 구성된 연료 집합체가 도입되었습니다.

1950년대와 1960년대, 그리고 1980년대에도 관심이 높아졌다. 산업 세계석유 연료 부족을 경험했습니다. 같은 시기에 세계 각국도 대기오염 문제에 관심을 갖게 되었고 친환경적인 전기를 생산할 수 있는 방안을 고민하게 되었습니다. 현재 연료전지/전지 기술은 급속한 발전을 겪고 있다.

연료 전지/전지의 작동 원리

연료 전지/전지는 전해질, 캐소드 및 애노드를 사용하여 진행 중인 전기화학 반응을 통해 전기와 열을 생성합니다.

양극과 음극은 양성자를 전도하는 전해질에 의해 분리됩니다. 수소가 양극에 들어가고 산소가 음극에 들어가면 화학 반응이 시작되어 전류, 열 및 물이 생성됩니다.

양극 촉매에서 분자 수소는 해리되어 전자를 잃습니다. 수소 이온(양성자)은 전해질을 통해 음극으로 전도되고 전자는 전해질과 외부 전기 회로를 통과하여 장비에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 직류를 생성합니다. 음극 촉매에서 산소 분자는 전자(외부 통신에서 공급됨) 및 들어오는 양성자와 결합하여 유일한 반응 생성물(증기 및/또는 액체 형태)인 물을 형성합니다.

다음은 해당 반응입니다.

양극 반응: 2H 2 => 4H+ + 4e -
음극에서의 반응: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
일반 원소 반응: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

연료 전지/전지의 종류와 다양성

다양한 유형의 내연 기관이 있는 것처럼 연료 전지에도 다양한 유형이 있습니다. 적합한 유형연료 전지는 용도에 따라 다릅니다.

연료전지는 고온과 저온으로 구분됩니다. 저온 연료 전지는 연료로 비교적 순수한 수소를 필요로 합니다. 이것은 종종 1차 연료(천연 가스와 같은)를 순수한 수소로 전환하기 위해 연료 처리가 필요함을 의미합니다. 이 프로세스는 추가 에너지를 소비하고 특수 장비가 필요합니다. 고온 연료 전지는 고온에서 연료를 "내부적으로 변환"할 수 있으므로 이러한 추가 절차가 필요하지 않습니다. 즉, 수소 인프라에 투자할 필요가 없습니다.

용융 탄산염 연료 전지/전지(MCFC)

용융 탄산염 전해질 연료 전지는 고온 연료 전지입니다. 높은 작동 온도로 연료 처리기 없이 천연 가스를 직접 사용할 수 있으며 발열량이 낮은 연료 가스 생산 공정그리고 다른 출처에서.

RCFC의 작동은 다른 연료 전지와 다릅니다. 이 전지는 용융 탄산염 혼합물의 전해질을 사용합니다. 현재 탄산리튬과 탄산칼륨 또는 탄산리튬과 탄산나트륨의 두 가지 유형의 혼합물이 사용됩니다. 탄산염을 녹이고 달성하기 위하여 높은 온도전해질 내 이온의 이동성 때문에 용융 탄산염 전해질이 있는 연료 전지는 고온(650°C)에서 작동합니다. 효율성은 60-80% 사이에서 다양합니다.

650°C의 온도로 가열되면 염은 탄산염 이온(CO 3 2-)의 전도체가 됩니다. 이 이온은 음극에서 양극으로 이동하여 수소와 결합하여 물, 이산화탄소 및 자유 전자를 형성합니다. 이 전자는 외부 전기 회로를 통해 음극으로 다시 보내져 부산물로 전류와 열을 생성합니다.

양극 반응: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
음극에서의 반응: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
일반 원소 반응: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (cathode) => H 2 O (g) + CO 2 (anode)

용융 탄산염 전해질 연료 전지의 높은 작동 온도에는 몇 가지 장점이 있습니다. 고온에서 천연 가스는 내부적으로 개질되어 연료 처리기가 필요하지 않습니다. 또한 전극에 스테인리스 강판 및 니켈 촉매와 같은 표준 구성 재료를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 폐열은 다양한 산업 및 상업 응용 분야에서 고압 증기를 생성하는 데 사용할 수 있습니다.

전해질의 높은 반응 온도에도 장점이 있습니다. 고온을 사용하면 최적의 작동 조건에 도달하는 데 오랜 시간이 걸리고 시스템은 에너지 소비 변화에 더 느리게 반응합니다. 이러한 특성으로 인해 일정한 전력 조건에서 용융 탄산염 전해질이 있는 연료 전지 시스템을 사용할 수 있습니다. 고온은 일산화탄소에 의한 연료 전지의 손상을 방지합니다.

용융 탄산염 연료 전지는 대형 고정 설비에 사용하기에 적합합니다. 3.0MW의 출력 전력을 가진 화력 발전소는 산업적으로 생산됩니다. 최대 110MW의 출력을 가진 발전소가 개발되고 있습니다.

인산(PFC) 기반 연료 전지/전지

인산(orthophosphoric) 산을 기반으로 하는 연료 전지는 상업적으로 사용된 최초의 연료 전지였습니다.

인산(오르토인)산 기반 연료 전지는 최대 100% 농도의 오르토인산(H 3 PO 4) 기반 전해질을 사용합니다. 인산의 이온 전도도는 저온에서 낮기 때문에 이러한 연료 전지는 최대 150–220°C의 온도에서 사용됩니다.

이러한 유형의 연료 전지에서 전하 캐리어는 수소(H+, 양성자)입니다. 양극에 공급된 수소가 양성자와 전자로 분리되는 양성자교환막 연료전지에서도 유사한 과정이 일어난다. 양성자는 전해질을 통과하고 음극에서 공기의 산소와 결합하여 물을 형성합니다. 전자는 외부 전기 회로를 따라 유도되고 전류가 생성됩니다. 다음은 전기와 열을 발생시키는 반응입니다.

양극에서의 반응: 2H 2 => 4H + + 4e -
음극에서의 반응 : O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
일반 원소 반응: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

인산(오르토인)산 기반 연료전지의 효율은 전기에너지 생성 시 40% 이상이다. 열과 전기의 결합 생산에서 전체 효율은 약 85%입니다. 또한 주어진 작동 온도에서 폐열을 사용하여 물을 가열하고 대기압에서 증기를 생성할 수 있습니다.

열과 전기의 결합 생산에서 인산(오르토인산) 기반 연료 전지의 화력 발전소의 고성능은 이러한 유형의 연료 전지의 장점 중 하나입니다. 공장은 약 1.5% 농도의 일산화탄소를 사용하므로 연료 선택이 크게 확장됩니다. 또한 CO 2 는 전해질과 연료 전지의 작동에 영향을 미치지 않으며 이러한 유형의 전지는 개질된 천연 연료와 함께 작동합니다. 심플한 디자인, 낮은 전해질 휘발성 및 증가된 안정성 또한 이러한 유형의 연료 전지의 장점입니다.

최대 500kW의 출력 전력을 가진 화력 발전소는 산업적으로 생산됩니다. 11MW 설비는 관련 테스트를 통과했습니다. 최대 100MW의 출력을 가진 발전소가 개발되고 있습니다.

고체산화물 연료전지(SOFC)

고체 산화물 연료 전지는 작동 온도가 가장 높은 연료 전지입니다. 작동 온도는 600°C에서 1000°C까지 다양하므로 특별한 전처리 없이 다양한 유형의 연료를 사용할 수 있습니다. 이러한 고온을 처리하기 위해 사용되는 전해질은 얇은 세라믹 기반의 고체 금속 산화물이며, 종종 이트륨과 지르코늄의 합금으로 산소(O 2-) 이온의 전도체입니다.

고체 전해질은 한 전극에서 다른 전극으로 밀폐된 기체 전이를 제공하는 반면, 액체 전해질은 다공성 기질에 위치합니다. 이러한 유형의 연료 전지에서 전하 캐리어는 산소 이온(O 2-)입니다. 음극에서 산소 분자는 공기로부터 산소 이온과 4개의 전자로 분리됩니다. 산소 이온은 전해질을 통과하고 수소와 결합하여 4개의 자유 전자를 형성합니다. 전자는 외부 전기 회로를 통해 전달되어 전류와 폐열을 생성합니다.

양극에서의 반응: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
음극에서의 반응: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
일반 원소 반응: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

생성된 전기 에너지의 효율은 모든 연료 전지 중 가장 높은 약 60~70%입니다. 작동 온도가 높으면 열과 발전을 결합하여 고압 증기를 생성할 수 있습니다. 고온 연료 전지와 터빈을 결합하면 하이브리드 연료 전지가 생성되어 발전 효율을 최대 75%까지 높일 수 있습니다.

고체 산화물 연료 전지는 매우 높은 온도(600°C-1000°C)에서 작동하므로 최적의 작동 조건에 도달하는 데 오랜 시간이 걸리고 시스템이 전력 소비 변화에 더 느리게 반응합니다. 이러한 높은 작동 온도에서 연료로부터 수소를 회수하기 위한 변환기가 필요하지 않아 화력 발전소가 석탄 가스화 또는 폐가스 등으로부터 비교적 불순한 연료로 작동할 수 있습니다. 또한, 이 연료전지는 산업 및 대형 중앙 발전소를 포함한 고전력 응용 분야에 탁월합니다. 출력 전력이 100kW인 산업적으로 생산된 모듈입니다.

직접 메탄올 산화(DOMTE)가 있는 연료 전지/전지

메탄올을 직접 산화시키는 연료전지 기술은 활발히 개발되고 있다. 휴대 전화, 랩톱에 전원을 공급하고 휴대용 전원을 만드는 분야에서 성공적으로 자리를 잡았습니다. 이러한 요소의 미래 적용이 목표로 하는 것.

메탄올을 직접 산화시키는 연료 전지의 구조는 MOFEC(양성자 교환막)가 있는 연료 전지와 유사합니다. 폴리머는 전해질로 사용되며 수소 이온(양성자)은 전하 캐리어로 사용됩니다. 그러나 액체 메탄올(CH 3 OH)은 양극에서 물의 존재하에 산화되어 외부 전기 회로를 통해 유도되는 CO 2 , 수소 이온 및 전자를 방출하고 전류가 생성됩니다. 수소 이온은 전해질을 통과하고 공기의 산소 및 외부 회로의 전자와 반응하여 양극에서 물을 형성합니다.

양극에서의 반응: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
음극에서의 반응: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
일반 원소 반응: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

이러한 유형의 연료 전지의 장점은 액체 연료를 사용하기 때문에 크기가 작고 변환기를 사용할 필요가 없다는 것입니다.

알칼리 연료 전지/전지(AFC)

알카라인 연료전지는 발전 효율이 70%에 달하는 전력을 생산하는 데 사용되는 가장 효율적인 요소 중 하나입니다.

알칼리성 연료 전지는 다공성의 안정화된 매트릭스에 포함된 전해질, 즉 수산화칼륨 수용액을 사용합니다. 수산화칼륨의 농도는 연료 전지의 작동 온도에 따라 달라질 수 있으며, 그 범위는 65°C ~ 220°C입니다. SFC의 전하 운반체는 수산화 이온(OH-)이 음극에서 양극으로 이동하여 수소와 반응하여 물과 전자를 생성합니다. 양극에서 생성된 물은 음극으로 다시 이동하여 그곳에서 다시 수산화 이온을 생성합니다. 연료 전지에서 일어나는 이러한 일련의 반응의 결과로 전기가 생성되고 부산물로 열이 발생합니다.

양극에서의 반응: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
음극에서의 반응: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
시스템의 일반적인 반응: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SFC의 장점은 전극에 필요한 촉매가 다른 연료 전지의 촉매로 사용되는 것보다 저렴한 물질일 수 있기 때문에 이러한 연료 전지가 생산하기에 가장 저렴하다는 것입니다. SCFC는 비교적 낮은 온도에서 작동하며 가장 효율적인 연료 전지 중 하나입니다. 이러한 특성은 각각 더 빠른 발전 및 높은 연료 효율성에 기여할 수 있습니다.

SHTE의 특징 중 하나는 연료나 공기에 포함될 수 있는 CO 2 에 대한 높은 감도입니다. CO 2 는 전해질과 반응하여 빠르게 중독되어 연료 전지의 효율을 크게 떨어뜨립니다. 따라서 SFC의 사용은 우주 및 수중 차량과 같은 폐쇄된 공간으로 제한되며 순수한 수소와 산소로 작동해야 합니다. 또한 다른 연료 전지에는 안전하고 일부 연료에도 안전한 CO, H 2 O 및 CH4와 같은 분자는 SFC에 유해합니다.

고분자 전해질 연료 전지/전지(PETE)

고분자 전해질 연료 전지의 경우 고분자 멤브레인은 물 이온(물 분자에 부착된 H 2 O + (양성자, 적색))의 전도가 있는 물 영역이 있는 고분자 섬유로 구성됩니다. 물 분자는 느린 이온 교환으로 인해 문제가 발생합니다. 따라서 연료와 배기 전극 모두에 고농도의 물이 필요하며 작동 온도를 100°C로 제한합니다.

고체산 연료 전지/전지(SCFC)

고체산 연료 전지에서 전해질(CsHSO 4 )에는 물이 포함되어 있지 않습니다. 따라서 작동 온도는 100-300°C입니다. SO 4 2-oxy 음이온의 회전은 양성자(빨간색)가 그림과 같이 이동할 수 있도록 합니다. 일반적으로 고체산 연료전지는 두 개의 단단히 압축된 전극 사이에 매우 얇은 고체산 화합물 층이 샌드위치되어 있어 양호한 접촉을 보장합니다. 가열되면 유기 성분이 증발하여 전극의 기공을 통해 떠나 연료(또는 전지의 다른 쪽 끝에 있는 산소), 전해질 및 전극 사이의 수많은 접촉 능력을 유지합니다.

다양한 연료전지 모듈. 연료 전지 배터리

1. 연료전지 배터리
2. 기타 고온 장비(일체형 증기발생기, 연소실, 열평형변환기)
3. 내열성 단열재

연료 전지 모듈

연료전지의 종류 및 품종 비교분석

혁신적인 에너지 절약형 도시 열 및 발전소는 일반적으로 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 고분자 전해질 연료 전지(PEFC), 인산 연료 전지(PCFC), 양성자 교환막 연료 전지(MPFC) 및 알칼리성 연료 전지( APFC) . 일반적으로 다음과 같은 특징이 있습니다.

고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 다음과 같은 가장 적합한 것으로 인식되어야 합니다.

• 더 높은 온도에서 작동하여 값비싼 귀금속(예: 백금)의 필요성을 줄입니다.
• 주로 천연 가스를 기반으로 하는 다양한 유형의 탄화수소 연료에서 작동할 수 있습니다.
• 가지다 더 많은 시간시작하므로 장기적으로 더 적합합니다.
• 발전 효율이 높다(최대 70%)
• 높은 작동 온도로 인해 장치를 열 회수 시스템과 결합하여 전체 시스템 효율을 최대 85%까지 높일 수 있습니다.
• 기존 발전 기술에 비해 배기가스 배출이 거의 0에 가깝고 조용하며 작동 요구 사항이 낮습니다.

연료 전지 유형	작동 온도	발전 효율	연료 종류	적용분야
RKTE	550–700°C	50-70%		중대형 설치
FKTE	100–220°C	35-40%	순수한 수소	대규모 설치
모프테	30-100°C	35-50%	순수한 수소	소규모 설치
SOFC	450–1000°C	45-70%	대부분의 탄화수소 연료	소형, 중형 및 대형 설치
폼테	20-90°C	20-30%	메탄올	가지고 다닐 수 있는
SHTE	50–200°C	40-70%	순수한 수소	우주 연구
피트	30-100°C	35-50%	순수한 수소	소규모 설치

소규모 화력발전소를 기존의 가스 공급망에 연결할 수 있기 때문에 연료전지는 별도의 수소 공급 시스템이 필요하지 않다. 고체 산화물 연료 전지를 기반으로 하는 소규모 화력 발전소를 사용할 때 생성된 열을 열교환기에 통합하여 물과 환기 공기를 가열하여 시스템의 전체 효율성을 높일 수 있습니다. 이것 혁신적인 기술값비싼 인프라와 복잡한 기기 통합이 필요 없는 효율적인 발전에 가장 적합합니다.

연료 전지/전지 응용 분야

통신 시스템에서 연료 전지/전지의 응용

전 세계적으로 무선 통신 시스템이 빠르게 확산되고 이동 전화 기술의 사회적, 경제적 이점이 증가함에 따라 안정적이고 비용 효율적인 백업 전원에 대한 필요성이 중요해지고 있습니다. 악천후, 자연 재해 또는 제한된 그리드 용량으로 인한 연중 그리드 손실은 그리드 운영자에게 끊임없는 도전입니다.

기존의 통신 전력 백업 솔루션에는 단기 백업 전력용 배터리(밸브 조절식 납축전지 셀)와 더 긴 백업 전력용 디젤 및 프로판 발전기가 포함됩니다. 배터리는 1~2시간 동안 사용할 수 있는 비교적 저렴한 백업 전원입니다. 그러나 배터리는 유지 관리 비용이 비싸고 장기간 사용하면 신뢰성이 떨어지며 온도에 민감하고 생명에 위험하기 때문에 더 긴 백업 기간에는 적합하지 않습니다. 환경폐기 후. 디젤 및 프로판 발전기는 지속적인 백업 전원을 제공할 수 있습니다. 그러나 발전기는 신뢰할 수 없고 광범위한 유지 관리가 필요하며 대기 중으로 높은 수준의 오염 물질과 온실 가스를 방출할 수 있습니다.

기존 백업 전원 솔루션의 한계를 없애기 위해 혁신적인 친환경 연료 전지 기술이 개발되었습니다. 연료 전지는 안정적이고 조용하며 발전기보다 움직이는 부품이 적고 -40°C ~ +50°C의 배터리보다 작동 온도 범위가 넓기 때문에 매우 높은 수준의 에너지 절감 효과를 제공합니다. 또한 이러한 플랜트의 수명 비용은 발전기의 수명 비용보다 낮습니다. 연료 전지 비용 절감은 1년에 단 한 번만 유지 보수를 방문하고 플랜트 생산성을 크게 높인 결과입니다. 결국 연료전지는 친환경적이다. 기술 솔루션환경에 미치는 영향을 최소화합니다.

연료 전지 장치는 무선, 영구 및 광대역 250W ~ 15kW 범위의 통신 시스템에서 타의 추종을 불허하는 많은 혁신적인 기능을 제공합니다.

• 신뢰할 수 있음– 움직이는 부품이 적고 대기 방전이 없음
• 에너지 절약
• 고요– 낮은 소음 수준
• 안정– 작동 범위 -40°C ~ +50°C
• 적응성– 실외 및 실내 설치(용기/보호용기)
• 고출력– 최대 15kW
• 낮은 유지 관리 필요성– 최소 연간 유지 보수
• 경제- 매력적인 총 소유 비용
• 청정 에너지– 최소한의 환경 영향으로 낮은 배출

시스템은 DC 버스 전압을 항상 감지하고 DC 버스 전압이 사용자 정의 설정값 아래로 떨어지면 임계 부하를 원활하게 수용합니다. 이 시스템은 상용 수소 공급원에서 또는 온보드 개질기 시스템을 사용하여 메탄올과 물의 액체 연료에서 두 가지 방법 중 하나로 연료 전지 스택에 들어가는 수소에서 실행됩니다.

전기는 연료 전지 스택에서 직류 형태로 생산됩니다. DC 전력은 연료 전지 스택의 조정되지 않은 DC ​​전력을 필요한 부하에 대해 고품질의 조정된 DC 전력으로 변환하는 변환기로 보내집니다. 연료 전지 설치는 재고가 있는 수소 또는 메탄올/물 연료의 양에 의해서만 기간이 제한되기 때문에 며칠 동안 백업 전력을 제공할 수 있습니다.

연료 전지는 산업 표준 밸브 조절 납축전지 팩에 비해 우수한 에너지 효율, 향상된 시스템 신뢰성, 광범위한 기후에서 보다 예측 가능한 성능 및 안정적인 서비스 수명을 제공합니다. 유지 관리 및 교체 요구 사항이 크게 줄어들기 때문에 수명 주기 비용도 낮아집니다. 연료 전지는 납산 전지와 관련된 폐기 비용 및 책임 위험이 증가하는 우려에 따라 최종 사용자에게 환경적 이점을 제공합니다.

전기 배터리의 성능은 충전 수준, 온도, 주기, 수명 및 기타 변수와 같은 광범위한 요인에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있습니다. 제공되는 에너지는 이러한 요인에 따라 달라지며 예측하기가 쉽지 않습니다. PEMFC(양성자 교환막 연료 전지)의 성능은 이러한 요인에 상대적으로 영향을 받지 않으며 연료를 사용할 수 있는 한 임계 전력을 제공할 수 있습니다. 증가된 예측 가능성은 미션 크리티컬 백업 전력 애플리케이션을 위해 연료 전지로 이동할 때 중요한 이점입니다.

연료전지는 가스터빈 발전기와 같이 연료가 공급되어야만 에너지를 생성하지만 발전영역에 가동부가 없다. 따라서 발전기와 달리 급격한 마모가없고 지속적인 유지 보수 및 윤활이 필요하지 않습니다.

Extended Duration Fuel Converter를 구동하는 데 사용되는 연료는 메탄올과 물의 혼합물입니다. 메탄올은 현재 널리 사용되는 상업적으로 생산되는 연료로 앞유리 세척제, 플라스틱 병, 엔진 첨가제, 에멀젼 페인트. 메탄올은 운송이 쉽고 물과 섞일 수 있으며 생분해성이 좋으며 황이 없습니다. 어는점(-71°C)이 낮고 장기간 보관해도 분해되지 않습니다.

통신 네트워크에서 연료 전지/전지의 응용

보안 네트워크에는 전력망을 사용할 수 없는 비상 상황에서 몇 시간 또는 며칠 동안 지속될 수 있는 안정적인 백업 전원 솔루션이 필요합니다.

움직이는 부품이 적고 대기 전력 감소가 없는 혁신적인 연료 전지 기술은 현재 사용 가능한 백업 전력 시스템에 비해 매력적인 솔루션을 제공합니다.

통신 네트워크에서 연료 전지 기술을 사용하는 가장 강력한 이유는 전반적인 안정성과 보안이 향상되기 때문입니다. 정전, 지진, 폭풍 및 허리케인과 같은 이벤트가 발생하는 동안 백업 전원 시스템의 온도나 수명에 관계없이 시스템이 계속 작동하고 장기간 안정적인 백업 전원 공급 장치를 유지하는 것이 중요합니다.

다양한 연료 전지 전원 공급 장치는 보안 통신 네트워크를 지원하는 데 이상적입니다. 에너지 절약 설계 원칙 덕분에 250W ~ 15kW의 전력 범위에서 사용할 수 있도록 연장된 기간(최대 며칠)으로 환경 친화적이고 안정적인 백업 전력을 제공합니다.

데이터 네트워크에서 연료 전지/전지의 응용

고속 데이터 네트워크 및 광섬유 백본과 같은 데이터 네트워크를 위한 안정적인 전원 공급은 전 세계적으로 매우 중요합니다. 이러한 네트워크를 통해 전송되는 정보에는 은행, 항공사 또는 의료 센터. 이러한 네트워크의 정전은 다음과 같은 위험을 초래할 뿐만 아니라 전송된 정보, 그러나 또한 일반적으로 상당한 재정적 손실을 초래합니다. 대기 전력을 제공하는 안정적이고 혁신적인 연료 전지 설치는 무정전 전력을 보장하는 데 필요한 신뢰성을 제공합니다.

메탄올과 물의 액체 연료 혼합물로 작동하는 연료 전지 장치는 최대 며칠까지 지속되는 안정적인 백업 전원 공급 장치를 제공합니다. 또한 이러한 장치는 발전기 및 배터리에 비해 유지 관리 요구 사항이 크게 감소하여 연간 한 번만 유지 관리를 방문하면 됩니다.

데이터 네트워크에서 연료 전지 설치를 사용하기 위한 일반적인 애플리케이션 특성:

• 100W ~ 15kW의 전원 입력이 있는 애플리케이션
• 요구 사항이 있는 애플리케이션 배터리 수명> 4시간
• 광섬유 시스템의 중계기(동기식 디지털 시스템, 고속 인터넷, VoIP 등의 계층 구조)
• 고속 데이터 전송의 네트워크 노드
• WiMAX 전송 노드

연료 전지 대기 설치는 기존 배터리 또는 디젤 발전기에 비해 중요한 데이터 네트워크 인프라에 많은 이점을 제공하여 현장 활용도를 높일 수 있습니다.

1. 액체 연료 기술은 수소 저장 문제를 해결하고 사실상 무제한 백업 전력을 제공합니다.
2. 연료 전지는 조용한 작동, 가벼운 무게, 극한 온도에 대한 저항 및 거의 진동이 없는 작동으로 인해 옥외, 산업 건물/컨테이너 또는 옥상에 설치할 수 있습니다.
3. 시스템 사용을 위한 현장 준비가 빠르고 경제적이며 운영 비용이 저렴합니다.
4. 연료는 생분해성이며 도시 환경을 위한 환경 친화적인 솔루션을 나타냅니다.

보안 시스템에 연료 전지/전지 적용

가장 신중하게 설계된 건물 보안 및 통신 시스템은 그 시스템을 작동시키는 힘만큼 신뢰할 수 있습니다. 대부분의 시스템에는 단기 정전을 위한 일종의 백업 무정전 전원 시스템이 포함되어 있지만 자연 재해나 테러 공격 이후에 발생할 수 있는 더 긴 정전에 대해서는 제공하지 않습니다. 이는 많은 기업 및 정부 기관에 중요한 문제가 될 수 있습니다.

CCTV 모니터링 및 출입 통제 시스템(ID 카드 판독기, 도어 닫힘 장치, 생체 인식 기술 등), 자동 화재 경보 및 소화 시스템, 엘리베이터 제어 시스템 및 통신 네트워크와 같은 필수 시스템은 지속적인 전원 공급의 안정적인 대체 소스.

디젤 발전기는 시끄럽고 위치를 찾기 어려우며 신뢰성과 신뢰성으로 잘 알려져 있습니다. 유지. 대조적으로, 연료 전지 백업 설치는 조용하고 안정적이며 배기 가스가 0이거나 매우 낮으며 옥상이나 건물 외부에 설치하기 쉽습니다. 대기 모드에서 방전되거나 전원이 손실되지 않습니다. 기관이 운영을 중단하고 건물이 사람들에 의해 버려진 후에도 중요한 시스템의 지속적인 운영을 보장합니다.

혁신적인 연료 전지 설치는 중요한 응용 분야에 대한 값비싼 투자를 보호합니다. 이 제품은 250W ~ 15kW의 전력 범위에서 사용할 수 있도록 지속 시간이 연장된(최대 수일) 환경 친화적이고 안정적인 백업 전원을 제공하며, 특히 높은 수준의 에너지 절약 기능이 결합되어 있습니다.

연료 전지 전력 백업 장치는 보안 및 건물 관리 시스템과 같은 미션 크리티컬 애플리케이션에 기존 배터리 또는 디젤 발전기에 비해 많은 이점을 제공합니다. 액체 연료 기술은 수소 저장 문제를 해결하고 사실상 무제한 백업 전력을 제공합니다.

가정용 난방 및 발전에 연료 전지/전지의 응용

고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 널리 사용 가능한 천연 가스 및 재생 가능한 연료원에서 전기와 열을 생성하기 위해 안정적이고 에너지 효율적이며 배출이 없는 화력 발전소를 건설하는 데 사용됩니다. 이 혁신적인 장치는 가정용 발전에서 전원 공급 장치, 원격 지역 및 보조 전원에 이르기까지 다양한 시장에서 사용됩니다.

유통망에 연료전지/전지 적용

소규모 화력발전소는 하나의 중앙 집중식 발전소가 아닌 다수의 소규모 발전기 세트로 구성된 분산 발전 네트워크에서 작동하도록 설계되었습니다.

아래 그림은 열병합발전소에서 발전되어 기존의 송전망을 통해 가정으로 송전될 때의 발전효율 손실을 나타낸 것이다. 이 순간. 지역 발전의 효율 손실에는 발전소 손실, 저압 및 고압 송전 및 배전 손실이 포함됩니다.

이 그림은 소규모 화력발전소를 통합한 결과를 보여줍니다. 사용 지점에서 최대 60%의 발전 효율로 전기를 생산합니다. 또한 가정에서 연료 전지에서 발생하는 열을 물과 공간 난방에 사용할 수 있으므로 연료 에너지 처리의 전반적인 효율성이 향상되고 에너지 절약이 향상됩니다.

연료 전지를 사용하여 환경 보호 - 관련 석유 가스 활용

석유 산업에서 가장 중요한 작업 중 하나는 관련 석유 가스의 활용입니다. 기존의 연관석유가스 활용 방법은 경제적으로 실현 가능하지 않다는 단점이 많다. 관련 석유 가스는 연소되어 환경과 인간의 건강에 큰 해를 끼칩니다.

관련 석유 가스를 연료로 사용하는 혁신적인 연료 전지 열 및 발전소는 관련 석유 가스 활용 문제에 대한 근본적이고 비용 효율적인 솔루션의 길을 열어줍니다.

1. 연료 전지 설치의 주요 이점 중 하나는 관련 장치에서 안정적이고 지속 가능하게 작동할 수 있다는 것입니다. 석유 가스가변 구성. 연료 전지 작동의 기본이 되는 무화염 화학 반응으로 인해, 예를 들어 메탄 비율의 감소는 그에 상응하는 출력 감소만을 야기합니다.
2. 소비자의 전기 부하, 차동, 부하 서지에 대한 유연성.
3. 연료 전지에 화력 발전소를 설치 및 연결하기 위해 구현에 자본 지출이 필요하지 않습니다. 이 장치는 준비되지 않은 현장 근처에 쉽게 장착할 수 있으며 작동하기 쉽고 안정적이며 효율적입니다.
4. 고도의 자동화 및 현대식 원격 제어를 위해서는 공장에 직원이 상주할 필요가 없습니다.
5. 설계의 단순성과 기술적 완성도: 움직이는 부품, 마찰, 윤활 시스템의 부재는 연료 전지 설비 운영에서 상당한 경제적 이점을 제공합니다.
6. 물 소비량: 최대 +30°C의 주변 온도에서는 전혀 없으며 더 높은 온도에서는 무시할 수 있습니다.
7. 물 배출구: 없음.
8. 또한 연료전지 화력발전소는 소음, 진동, 대기 중으로 유해한 배출물을 방출하지 마십시오.

그들은 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 우주선에 의해 운영됩니다. 그들은 오마하의 First National Bank의 컴퓨터에 전원을 공급합니다. 시카고의 일부 공공 시내 버스에서 사용됩니다.

이들은 모두 연료 전지입니다. 연료 전지는 연소 과정 없이 배터리와 마찬가지로 화학적 수단으로 전기를 생성하는 전기 화학 장치입니다. 유일한 차이점은 다른 화학 물질인 수소와 산소를 사용하고 화학 반응의 생성물이 물이라는 것입니다. 천연 가스도 사용할 수 있지만 물론 탄화수소 연료를 사용할 때 일정 수준의 이산화탄소 배출은 피할 수 없습니다.

연료 전지는 유해한 배출 없이 고효율로 작동할 수 있기 때문에 온실 가스 및 기타 오염 물질의 배출을 줄이는 데 도움이 되는 지속 가능한 에너지원으로서 큰 가능성이 있습니다. 연료 전지의 광범위한 사용에 대한 주요 장애물은 전기를 생성하거나 차량을 추진하는 다른 장치에 비해 높은 비용입니다.

개발의 역사

최초의 연료 전지는 1839년 William Groves 경에 의해 시연되었습니다. Groves는 전류의 작용에 따라 물이 수소와 산소로 분해되는 전기분해 과정이 가역적임을 보여주었습니다. 즉, 수소와 산소가 화학적으로 결합하여 전기를 생성할 수 있습니다.

이것이 입증된 후 많은 과학자들이 부지런히 연료전지 연구에 매진했지만, 19세기 후반 내연기관의 발명과 매장량을 추출하기 위한 기반시설의 발달로 연료전지의 발전은 훨씬 뒤쳐졌다. 연료 전지의 개발을 더욱 제한하는 것은 높은 비용입니다.

연료 전지 개발의 급증은 1950년대에 NASA가 우주 비행을 위한 소형 발전기의 필요성과 관련하여 연료 전지에 관심을 기울였을 때 나타났습니다. 적절한 자금이 투입되었고, 그 결과 연료전지로 Apollo와 Gemini 비행이 이루어졌습니다. 우주선은 연료 전지로도 작동합니다.

연료전지는 여전히 실험 기술그러나 이미 여러 회사에서 상업용 시장에서 판매하고 있습니다. 지난 10년 동안만 해도 상용 연료 전지 기술에서 상당한 발전이 이루어졌습니다.

연료 전지의 작동 원리

연료 전지는 배터리와 같습니다. 화학 반응을 통해 전기를 생성합니다. 이에 반해 내연기관은 연료를 태우고 열을 발생시켜 기계적 에너지로 변환합니다. 배기가스의 열이 어떤 식으로든 사용되지 않는 한(예: 난방이나 공조) 내연기관의 효율은 다소 낮다고 할 수 있습니다. 예를 들어, 현재 개발 중인 프로젝트인 차량에 사용되는 연료 전지의 효율성은 오늘날 자동차에 사용되는 일반적인 가솔린 엔진보다 2배 이상 효율적일 것으로 예상됩니다.

배터리와 연료 전지는 모두 화학적으로 전기를 생성하지만 두 가지 매우 다른 기능을 수행합니다. 배터리는 저장된 에너지 장치입니다. 배터리가 생성하는 전기는 이미 내부에 있는 물질의 화학 반응의 결과입니다. 연료 전지는 에너지를 저장하지 않지만 외부에서 공급되는 연료의 일부 에너지를 전기로 변환합니다. 이러한 점에서 연료 전지는 기존의 발전소와 비슷합니다.

연료 전지에는 여러 가지 유형이 있습니다. 가장 단순한 연료 전지는 전해질로 알려진 특수 멤브레인으로 구성됩니다. 분말 전극은 멤브레인의 양면에 증착됩니다. 이 디자인 - 두 개의 전극으로 둘러싸인 전해질 -은 별도의 요소입니다. 수소는 한쪽(양극)으로 흐르고 산소(공기)는 다른 쪽(음극)으로 흐릅니다. 각 전극은 서로 다른 화학 반응을 보입니다.

양극에서 수소는 양성자와 전자의 혼합물로 분해됩니다. 일부 연료 전지에서 전극은 일반적으로 해리 반응을 촉진하는 백금 또는 기타 귀금속으로 만들어진 촉매로 둘러싸여 있습니다.

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = 이원자 수소 분자, 형태, in

수소가 기체로 존재하는 경우;

H+ = 이온화된 수소, 즉 양성자;

e- = 전자.

연료 전지의 작동은 전해질이 자체를 통해(음극 쪽으로) 양성자를 통과하지만 전자는 통과하지 않는다는 사실에 기반합니다. 전자는 외부 전도 회로를 따라 음극 쪽으로 이동합니다. 이러한 전자의 움직임은 전기 모터나 전구와 같이 연료 전지에 연결된 외부 장치에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있는 전류입니다. 이 장치를 일반적으로 "부하"라고 합니다.

연료 전지의 캐소드 쪽에서 양성자(전해액을 통과함)와 전자(외부 부하를 통과함)가 "재결합"되고 캐소드에 공급된 산소와 반응하여 물, H2O를 형성합니다.

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

연료 전지의 전체 반응은 다음과 같이 작성됩니다.

2H2 + O2 ==> 2H2O.

그들의 작업에서 연료 전지는 수소 연료와 공기의 산소를 사용합니다. 수소는 직접 공급하거나 천연 가스, 가솔린 또는 메탄올과 같은 외부 연료 공급원에서 분리하여 공급할 수 있습니다. 외부 공급원의 경우 화학적으로 변환하여 수소를 추출해야 합니다. 이 과정을 "개조"라고 합니다. 수소는 도시 매립지 및 가스 처리 공장에서 나오는 가스와 같은 대체 자원인 암모니아에서도 얻을 수 있습니다. 폐수, 물의 전기분해에 의해 전기가 물을 수소와 산소로 분해하는 데 사용됩니다. 현재 운송에 사용되는 연료전지 기술은 대부분 메탄올을 사용합니다.

연료 전지용 수소를 생산하기 위해 연료를 개질하기 위한 다양한 수단이 개발되었습니다. 미국 에너지부는 자체 내장형 연료 전지에 수소를 공급하기 위해 가솔린 개질기 내부에 연료 공장을 개발했습니다. 미국 태평양 북서부 국립연구소의 연구원들이 파워팩의 10분의 1 크기인 소형 연료 개질기를 시연했습니다. 미국 유틸리티, Northwest Power Systems 및 Sandia 국립 연구소는 디젤 연료를 연료 전지용 수소로 변환하는 연료 개질기를 시연했습니다.

개별적으로 연료 전지는 각각 약 0.7-1.0볼트를 생성합니다. 전압을 높이기 위해 요소는 "캐스케이드"로 조립됩니다. 직렬 연결. 더 많은 전류를 생성하기 위해 캐스케이드 요소 세트가 병렬로 연결됩니다. 연료 전지 캐스케이드를 연료 공장, 공기 공급 및 냉각 시스템, 제어 시스템과 결합하면 연료 전지 엔진이 됩니다. 이 엔진은 운전할 수 있습니다 차량, 고정식 발전소 또는 휴대용 발전기6. 연료 전지 엔진은 용도, 연료 전지 유형 및 사용되는 연료에 따라 다양한 크기로 제공됩니다. 예를 들어, 오마하의 은행에 설치된 4개의 개별 200kW 고정 발전소는 각각 트럭 트레일러 크기입니다.

애플리케이션

연료 전지는 고정 장치와 모바일 장치 모두에서 사용할 수 있습니다. 미국의 배기가스 규제 강화에 대응하여 DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda 및 Nissan을 포함한 자동차 제조업체는 연료 전지 차량을 실험하고 시연했습니다. 최초의 상업용 연료 전지 차량은 2004년 또는 2005년에 도로에 출시될 것으로 예상됩니다.

연료 전지 기술의 역사에서 중요한 이정표는 1993년 6월 Ballard Power System에서 90킬로와트 수소 연료 전지 엔진을 탑재한 실험용 32피트 시내 버스의 시연이었습니다. 그 이후로 많은 다른 유형에 의해 구동되는 다양한 세대의 연료 전지 승용차 다른 유형연료. 1996년 말부터 캘리포니아 팜 데저트에서 3대의 수소 연료 전지 구동 골프 카트가 사용되었습니다. 일리노이 주 시카고의 도로에서; 밴쿠버, 브리티시 컬럼비아; 노르웨이 오슬로는 연료전지 시내버스를 시험하고 있다. 알칼리 연료 전지 택시가 런던 거리에서 테스트되고 있습니다.

연료 전지 기술을 사용한 고정 설치도 시연되고 있지만 아직 널리 사용되지는 않습니다. 상업용 응용 프로그램. 네브래스카에 있는 First National Bank of Omaha는 연료 전지 시스템을 사용하여 컴퓨터에 전원을 공급합니다. 시스템이 배터리 백업이 있는 이전 주전원 시스템보다 더 안정적이기 때문입니다. 세계에서 가장 큰 상업 시스템 1.2MW 연료 전지는 곧 알래스카의 우편 센터에 설치될 것입니다. 연료 전지 랩톱, 하수 처리장 및 자동 판매기에 사용되는 제어 시스템도 테스트 및 시연되고 있습니다.

"장점과 단점"

연료 전지에는 여러 가지 장점이 있습니다. 최신 내연 기관의 효율은 12-15%에 불과하지만 연료 전지의 경우 이 계수는 50%입니다. 연료 전지의 효율은 상당히 유지될 수 있습니다. 높은 레벨, 최대 정격 출력으로 사용되지 않는 경우에도 이는 가솔린 엔진에 비해 큰 이점입니다.

연료 전지 설계의 모듈식 특성은 몇 단계만 더 추가하면 연료 전지 발전소의 용량을 늘릴 수 있음을 의미합니다. 이렇게 하면 용량 부족 요인이 최소화되어 수요와 공급을 더 잘 맞출 수 있습니다. 연료 전지 스택의 효율은 개별 전지의 성능에 의해 결정되기 때문에 소형 연료 전지 발전소는 대형 발전소만큼 효율적으로 작동합니다. 또한 고정식 연료 전지 시스템의 폐열을 물과 공간 난방에 사용할 수 있어 에너지 효율을 더욱 높일 수 있습니다.

연료 전지를 사용할 때 실질적으로 유해한 배출이 없습니다. 엔진이 순수한 수소로 작동할 때 부산물로 열과 순수한 수증기만 형성됩니다. 따라서 우주선에서 우주 비행사는 온보드 연료 전지 작동의 결과로 형성된 물을 마십니다. 배출 구성은 수소 공급원의 특성에 따라 다릅니다. 메탄올을 사용하면 질소 산화물과 일산화탄소가 전혀 배출되지 않고 탄화수소만 소량 배출됩니다. 수소에서 메탄올, 가솔린으로 이동함에 따라 배출량이 증가하지만 가솔린을 사용하더라도 배출량은 상당히 낮게 유지됩니다. 어쨌든 오늘날의 전통적인 내연 기관을 연료 전지로 교체하면 CO2 및 NOx 배출량이 전반적으로 감소할 것입니다.

연료 전지의 사용은 에너지 인프라의 유연성을 제공하여 추가 기능분산된 발전을 위해. 분산된 에너지원의 다양성은 전송 손실을 줄이고 에너지 판매 시장을 개발하는 것을 가능하게 합니다(전력선에 접근할 수 없는 원격 및 농촌 지역에 특히 중요). 연료 전지의 도움으로 개인 거주자 또는 이웃은 대부분의 전기를 스스로 제공할 수 있으므로 사용 효율성을 크게 높일 수 있습니다.

연료 전지는 에너지를 제공합니다 고품질신뢰성이 높아졌습니다. 내구성이 있고 움직이는 부품이 없으며 일정한 양의 전력을 생산합니다.

그러나 성능을 개선하고 비용을 절감하여 연료 전지가 다른 에너지 기술과 경쟁력을 갖기 위해서는 연료 전지 기술이 더욱 개선되어야 합니다. 에너지 기술의 비용 특성을 고려할 때 모든 구성 요소를 기준으로 비교해야 한다는 점에 유의해야 합니다. 기술적 특성자본 운영 비용, 오염 물질 배출, 전력 품질, 내구성, 해체 및 유연성을 포함합니다.

수소가스는 최고의 연료이지만 이를 위한 기반 시설이나 수송 기반은 아직 존재하지 않습니다. 단기적으로는 기존 화석 연료 공급 시스템(주유소 등)을 사용하여 발전소에 가솔린, 메탄올 또는 천연 가스 형태의 수소 공급원을 제공할 수 있습니다. 이렇게 하면 전용 수소 충전소가 필요하지 않지만 각 차량에는 화석 연료-수소 변환기("개질기")가 장착되어야 합니다. 이 접근법의 단점은 화석 연료를 사용하므로 이산화탄소 배출이 발생한다는 것입니다. 현재 주요 후보인 메탄올은 가솔린보다 배출량이 적지만 동일한 에너지 함량에 대해 두 배의 공간을 차지하기 때문에 자동차에 더 큰 용량의 탱크가 필요합니다.

화석 연료 공급 시스템과 달리 태양열 및 풍력 시스템(전기를 사용하여 물에서 수소와 산소를 생성) 및 직접 광변환 시스템(반도체 재료 또는 효소를 사용하여 수소 생성)은 개질 단계 없이 수소를 공급할 수 있으므로 이러한 방식으로 배출 메탄올 또는 가솔린 연료 전지를 사용할 때 관찰되는 유해 물질의 영향을 피할 수 있습니다. 수소는 필요에 따라 연료 전지에 저장되고 전기로 변환될 수 있습니다. 앞으로 이러한 종류의 재생 가능한 에너지원에 연료 전지를 연결하는 것은 생산적이고 환경 친화적이며 다재다능한 에너지원을 제공하는 효과적인 전략이 될 것입니다.

IEER의 권장 사항은 지방, 주 및 주 정부가 교통 조달 예산의 일부를 연료 전지 차량 및 고정형 연료 전지 시스템에 할당하여 일부 필수 건물이나 새 건물에 열과 전기를 공급하도록 하는 것입니다. 이를 통해 핵심 기술 개발에 기여하고 온실 가스 배출을 줄일 수 있습니다.

에 현대 생활화학 전류 소스는 우리를 어디에서나 둘러싸고 있습니다. 이들은 손전등의 배터리, 휴대 전화, 이미 일부 차량에 사용되고 있는 수소 연료 전지. 전기 화학 기술의 급속한 발전은 가까운 장래에 가솔린 엔진이 장착 된 자동차 대신 전기 자동차로 둘러싸여 있고 전화가 더 이상 빨리 소모되지 않으며 각 집에 자체 연료 전지가 있다는 사실로 이어질 수 있습니다 발전기. 우리가 이 기사를 출판한 러시아 과학 아카데미의 우랄 분과의 고온 전기 화학 연구소와 우랄 연방 대학의 공동 프로그램 중 하나는 전기 화학 저장 및 발전기의 효율성을 높이는 데 전념하고 있습니다. .

오늘날 다양한 유형의 배터리가 있으며 그 중 탐색하기가 점점 더 어려워지고 있습니다. 배터리가 슈퍼커패시터와 어떻게 다른지, 수소 연료 전지가 환경에 해를 끼치는 것에 대한 두려움 없이 사용할 수 있는 이유는 누구에게나 명확하지 않습니다. 이 기사에서는 화학 반응을 사용하여 전기를 생성하는 방법, 현대 화학 전류 소스의 주요 유형의 차이점 및 전기 화학 에너지에 대한 전망에 대해 설명합니다.

전기 공급원으로서의 화학

먼저 화학 에너지를 사용하여 전기를 생성할 수 있는 이유를 살펴보겠습니다. 문제는 산화 환원 반응에서 전자가 두 개의 서로 다른 이온 사이에서 이동한다는 것입니다. 화학 반응의 두 반쪽이 공간에서 분리되어 산화와 환원이 서로 별도로 일어나면 한 이온에서 떨어져 나온 전자가 두 번째 이온에 즉시 떨어지지 않고 먼저 두 번째 이온에 떨어지는 것을 확인할 수 있습니다. 미리 정해진 길을 갑니다. 이 반응은 전류원으로 사용될 수 있습니다.

이 개념은 18세기 이탈리아 생리학자 Luigi Galvani에 의해 처음 구현되었습니다. 전통적인 갈바니 전지의 작용은 활성이 다른 금속의 환원 및 산화 반응을 기반으로 합니다. 예를 들어, 고전적인 전지는 아연이 산화되고 구리가 환원되는 갈바니 전지입니다. 환원 반응과 산화 반응은 각각 음극과 양극에서 일어납니다. 그리고 구리와 아연 이온이 서로 직접 반응할 수 있는 "외국 영역"에 빠지지 않도록 일반적으로 양극과 음극 사이에 특수 멤브레인을 둡니다. 결과적으로 전극 사이에 전위차가 발생합니다. 예를 들어 전극을 전구로 연결하면 결과 전기 회로에 전류가 흐르기 시작하고 전구가 켜집니다.

갈바니 전지의 다이어그램

위키미디어 공용

양극과 음극의 재료 외에도 화학 전류 소스의 중요한 구성 요소는 내부에서 이온이 이동하고 경계에서 모든 전기 화학 반응이 전극과 함께 진행되는 전해질입니다. 이 경우 전해질은 액체일 필요가 없습니다. 폴리머와 세라믹 재료 모두일 수 있습니다.

갈바니 전지의 주요 단점은 제한된 작동 시간입니다. 반응이 끝나 자마자 (즉, 점차적으로 용해되는 전체 양극이 완전히 소모됨) 그러한 요소는 단순히 작동을 멈 춥니 다.

손가락 알카라인 배터리

충전식

화학 전류 소스의 기능을 확장하기 위한 첫 번째 단계는 배터리를 만드는 것이었습니다. 즉, 재충전하여 재사용할 수 있는 전류 소스입니다. 이를 위해 과학자들은 단순히 가역적인 화학 반응을 사용하도록 제안했습니다. 외부 전류 소스의 도움으로 처음으로 배터리를 완전히 방전하면 배터리에서 발생한 반응이 반대 방향으로 시작될 수 있습니다. 이렇게 하면 배터리를 충전 후 다시 사용할 수 있도록 원래 상태로 복원됩니다.

자동차 납축전지

현재까지 다양한 유형의 배터리가 만들어졌으며 배터리에서 일어나는 화학 반응 유형이 다릅니다. 가장 일반적인 유형의 배터리는 납의 산화 환원 반응을 기반으로 하는 납산(또는 간단히 납) 배터리입니다. 이러한 장치는 수명이 상당히 길며 에너지 소비량은 킬로그램당 최대 60와트시입니다. 최근에는 리튬 산화 환원 반응을 기반으로 하는 리튬 이온 배터리가 더욱 인기를 얻고 있습니다. 현대식 리튬 이온 배터리의 에너지 집약도는 이제 킬로그램당 250와트시를 초과합니다.

휴대폰용 리튬이온 배터리

리튬 이온 배터리의 주요 문제는 저온에서의 낮은 효율, 빠른 노화 및 폭발성 증가입니다. 그리고 리튬 금속은 물과 매우 활발하게 반응하여 배터리가 연소될 때 수소 가스를 형성하고 산소가 방출된다는 사실 때문에 리튬 이온 배터리의 자연 연소는 기존의 소화 방법으로 사용하기가 매우 어렵습니다. 이러한 배터리의 안전성을 높이고 충전 시간을 단축하기 위해 과학자들은 수지상 리튬 구조의 형성을 방지하고 폭발성 구조를 형성하는 전해질에 물질을 첨가하고 초기 단계에서 발화하는 성분을 첨가하는 양극 물질을 제안합니다. .

고체 전해질

배터리의 효율성과 안전성을 향상시키는 덜 분명한 또 다른 방법으로 화학자들은 화학 전원의 액체 전해질에 국한되지 않고 완전히 고체 상태의 전원을 만드는 것을 제안했습니다. 이러한 장치에는 액체 성분이 전혀 없으나 고체 양극, 고체 음극 및 이들 사이에 고체 전해질의 층상 구조가 있습니다. 동시에 전해질은 멤브레인의 기능을 수행합니다. 고체 전해질의 전하 운반체는 구성과 양극과 음극에서 일어나는 반응에 따라 다양한 이온이 될 수 있습니다. 그러나 그들은 항상 결정을 통해 비교적 자유롭게 이동할 수 있는 충분히 작은 이온, 예를 들어 H + 양성자, Li + 리튬 이온 또는 O 2- 산소 이온입니다.

수소 연료 전지

재충전 기능 및 특수 보안 조치는 배터리를 기존 배터리보다 훨씬 더 유망한 전류원으로 만들지만 여전히 각 배터리에는 내부에 제한된 양의 시약이 포함되어 있으므로 제한된 에너지 공급이 필요하며 매번 배터리를 재충전해야 합니다. 성능을 다시 시작합니다.

배터리를 "무한"하게 만들려면 셀 내부에 있는 물질이 아니라 셀을 통해 특별히 펌핑되는 연료를 에너지원으로 사용할 수 있습니다. 무엇보다도, 가능한 한 구성이 단순하고 환경 친화적이며 지구에 풍부하게 존재하는 물질이 그러한 연료로 가장 적합합니다.

이 유형의 가장 적합한 물질은 수소 가스입니다. 물을 형성하는 대기 산소와의 산화(2H 2 + O 2 → 2H 2 O 반응에 따라)는 단순한 산화환원 반응이며, 이온 간의 전자 수송도 전류원으로 사용할 수 있습니다. 이 때 진행되는 반응은 물의 전기분해 반응(전류의 작용으로 물이 산소와 수소로 분해되는 반응)에 대한 일종의 역반응으로, 이러한 반응은 2000년에 처음으로 제안되었다. 19세기 중반.

그러나 회로가 매우 단순해 보이지만 이 원리를 기반으로 효율적인 장치를 만드는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 이를 위해서는 공간에서 산소와 수소의 흐름을 분리하고 전해질을 통해 필요한 이온을 전달하며 모든 작동 단계에서 가능한 에너지 손실을 줄여야 합니다.

수소 연료 전지의 작동 개략도

작동하는 수소 연료 전지의 계획은 화학 전류원의 계획과 매우 유사하지만 연료 및 산화제를 공급하고 반응 생성물 및 과잉 공급된 가스를 제거하기 위한 추가 채널을 포함합니다. 이러한 요소의 전극은 다공성 전도성 촉매입니다. 기체 연료(수소)가 양극으로 공급되고, 산화제(공기중의 산소)가 음극으로 공급되며, 전해질이 있는 각 전극의 경계에서 자체적으로 반쪽 반응(산화 각각 수소 및 산소 환원). 이 경우 연료전지의 종류와 전해질의 종류에 따라 물 자체의 형성이 양극 또는 음극 공간에서 진행될 수 있다.

도요타 수소연료전지

조셉 브렌트 / 플리커

전해질이 양성자 전도성 고분자 또는 세라믹 막, 산 또는 알칼리 용액인 경우 전해질의 전하 운반체는 수소 이온입니다. 이 경우 분자수소는 양극에서 산화되어 수소이온이 되고, 수소이온은 전해질을 통과하여 그곳에서 산소와 반응한다. 고체 산화물 전해질의 경우와 같이 산소 이온 O2-가 전하 운반체이면 산소는 음극에서 이온으로 환원되고 이 이온은 전해질을 통과하여 양극에서 수소를 산화시켜 물을 형성하고 자유 전자.

연료전지에 대한 수소산화 반응 외에 다른 유형의 반응을 사용하는 것이 제안되었습니다. 예를 들어, 수소 대신에 환원 연료는 산소에 의해 이산화탄소와 물로 산화되는 메탄올일 수 있습니다.

연료전지 효율

수소 연료 전지의 모든 장점(예: 환경 친화성, 사실상 무제한 효율성, 소형 크기 및 높은 에너지 집약도)에도 불구하고 여러 가지 단점도 있습니다. 여기에는 우선 구성 요소의 점진적인 노화와 수소 저장의 어려움이 포함됩니다. 오늘날 과학자들이 연구하고 있는 것은 이러한 단점을 제거하는 방법입니다.

현재는 전해질의 조성, 촉매 전극의 특성, 시스템의 기하학적 구조(연료 가스를 원하는 지점까지 공급하고 부작용을 줄임)를 변경하여 연료 전지의 효율을 높이는 것이 제안되고 있습니다. 수소 가스를 저장하는 문제를 해결하기 위해 백금을 포함하는 재료가 사용되며, 예를 들어 그래핀 멤브레인이 포화됩니다.

결과적으로 연료 전지의 안정성과 개별 구성 요소의 수명을 늘릴 수 있습니다. 이제 이러한 셀에서 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 계수는 80%에 이르며 특정 조건에서는 훨씬 더 높을 수 있습니다.

수소 에너지에 대한 거대한 전망은 연료 전지를 전체 배터리로 결합하여 고출력의 발전기로 전환할 가능성과 관련이 있습니다. 지금도 수소연료전지로 작동하는 발전기는 수백 킬로와트에 달하는 전력을 갖고 있어 자동차의 동력원으로 사용되고 있다.

대체 전기화학 저장

고전적인 전기화학적 전류원 외에도 더 특이한 시스템이 에너지 저장 장치로 사용됩니다. 이러한 시스템 중 하나는 슈퍼커패시터(또는 이오니스터)입니다. 이 장치는 대전된 표면 근처에 이중층의 형성으로 인해 전하 분리 및 축적이 발생하는 장치입니다. 이러한 장치의 전극-전해질 계면에서 서로 다른 부호의 이온이 소위 "이중 전기층"이라는 두 개의 층으로 정렬되어 일종의 매우 얇은 커패시터를 형성합니다. 이러한 축전기의 정전용량, 즉 축적된 전하량은 전극재료의 비표면적에 의해 결정되기 때문에 비표면적이 최대인 다공성 재료를 전극재료로 사용하는 것이 유리하다. 슈퍼 커패시터.

이오니스터는 충전 속도 측면에서 충방전 화학 전류 소스 중 챔피언이며, 이는 이러한 유형의 장치의 확실한 장점입니다. 불행히도, 그들은 또한 배출 속도 측면에서 기록 보유자입니다. 이오니스터의 에너지 밀도는 납 배터리보다 8배, 리튬 이온 배터리보다 25배 낮습니다. 고전적인 "이중층" 이오니스터는 코어에서 전기화학 반응을 사용하지 않으며 "커패시터"라는 용어가 가장 정확하게 적용됩니다. 그러나 전기화학 반응 및 전하 축적이 전극의 깊이까지 확장되는 이러한 버전의 이오니스터에서는 빠른 충전 속도를 유지하면서 더 높은 방전 시간을 달성할 수 있습니다. 슈퍼커패시터 개발자의 노력은 슈퍼커패시터의 장점(주로 높은 충전율)과 배터리의 장점(높은 에너지 집약도 및 긴 방전 시간)을 결합한 배터리로 하이브리드 장치를 만드는 것을 목표로 합니다. 가까운 미래에 몇 분 안에 충전되고 하루 이상 동안 노트북이나 스마트폰에 전력을 공급할 이온화기 배터리를 상상해 보십시오!

현재 슈퍼커패시터의 에너지 밀도가 배터리의 에너지 밀도보다 몇 배나 낮음에도 불구하고 다음과 같은 용도로 사용됩니다. 가전그리고 대부분을 포함하여 다양한 차량의 엔진을 위해.

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따라서 오늘날에는 각각의 특정 응용 분야에 대해 유망한 많은 수의 전기화학 장치가 있습니다. 이러한 장치의 효율성을 개선하기 위해 과학자들은 기본적 및 기술적 문제 모두를 해결해야 합니다. 획기적인 프로젝트 중 하나의 틀 내에서 이러한 작업의 대부분은 Ural Federal University에서 처리되고 있으므로 러시아 과학 아카데미 우랄 분과의 고온 전기 화학 연구소 소장인 Maxim Ananiev에게 다음과 같이 질문했습니다. 우랄연방대학교 화학공학연구소 전기화학생산기술학과 교수가 현대 연료전지 개발에 대한 즉각적인 계획과 전망에 대해 이야기합니다. .

N+1: 가까운 장래에 가장 인기 있는 리튬 이온 배터리에 대한 대안이 있습니까?

막심 아나니예프:배터리 개발자의 현대적인 노력은 전해질의 전하 캐리어 유형을 리튬에서 나트륨, 칼륨 및 알루미늄으로 대체하는 것을 목표로 합니다. 리튬을 교체한 결과 무게와 크기 특성은 비례적으로 증가하지만 배터리 비용은 절감할 수 있다. 즉, 동일한 전기적 특성에 대해 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 크고 무겁습니다.

또한 배터리 개선을 위한 유망한 개발 분야 중 하나는 연료 전지에서와 같이 금속 이온 배터리와 공기 전극의 조합을 기반으로 하는 하이브리드 화학 에너지원을 만드는 것입니다. 일반적으로 슈퍼 커패시터의 예에서 이미 설명한 것처럼 하이브리드 시스템을 만드는 방향은 가까운 장래에 시장에서 소비자 특성이 높은 화학 에너지 원을 볼 수있게 할 것입니다.

Ural Federal University는 러시아와 세계의 학계 및 산업 파트너와 함께 현재 획기적인 분야에 중점을 둔 6개의 메가 프로젝트를 시행하고 있습니다. 과학적 연구. 그러한 프로젝트 중 하나는 "에너지 보존 및 변환을 위한 신소재의 화학 설계에서 차세대 전기화학 장치에 이르기까지 전기화학 에너지 공학의 관점 기술"입니다.

Maxim Ananiev를 포함하는 Strategic Academic Unit(SAU) UrFU 자연 과학 및 수학 학교의 과학자 그룹은 연료 전지, 전해 전지, 금속 그래핀 배터리, 전기 화학을 포함한 새로운 재료 및 기술의 설계 및 개발에 종사하고 있습니다. 전력 저장 시스템 및 슈퍼커패시터.

연구 및 과학 작업고온 전기 화학 연구소, 러시아 과학 아카데미 우랄 지점 및 파트너의 지원과 지속적인 협력으로 수행됩니다.

어떤 연료 전지가 현재 개발되고 있으며 가장 큰 잠재력을 가지고 있습니까?

가장 유망한 연료 전지 유형 중 하나는 양성자-세라믹 전지입니다. 이들은 탄화수소 연료의 직접 공급으로 작동할 수 있기 때문에 양성자 교환막 및 고체 산화물 전지가 있는 고분자 연료 전지에 비해 장점이 있습니다. 이는 양성자-세라믹 연료 전지 및 제어 시스템을 기반으로 하는 발전소의 설계를 크게 단순화하여 작동 신뢰성을 높입니다. 사실, 이러한 유형의 연료 전지는 현재 역사적으로 덜 발달되어 있지만 현대 과학 연구를 통해 미래에 이 기술의 높은 잠재력을 기대할 수 있습니다.

현재 우랄연방대학교에서는 연료전지와 관련된 어떤 문제를 다루고 있습니까?

이제 UrFU 과학자들은 러시아 과학 아카데미 우랄 분과의 고온 전기화학 연구소(IHTE)와 함께 분산 에너지 응용 분야를 위한 고효율 전기화학 장치 및 자율 발전기를 만들기 위해 노력하고 있습니다. 분산에너지 발전소의 구축은 초기에 배터리인 발전기와 저장장치를 기반으로 한 하이브리드 시스템의 개발을 의미한다. 동시에 연료 전지는 지속적으로 작동하여 피크 시간에 부하를 제공하고 아이들 모드에서는 배터리를 충전하여 전력 소모가 많은 경우와 비상 상황에서 자체적으로 예비 역할을 할 수 있습니다.

Ural Federal University와 IHTE의 화학자들은 고체 산화물 및 양성자-세라믹 연료 전지 개발에서 가장 큰 성공을 거두었습니다. 2016년부터 Urals에서는 State Corporation Rosatom과 함께 고체 산화물 연료 전지를 기반으로 한 러시아 최초의 발전소 생산이 이루어졌습니다. Ural 과학자의 개발은 Uraltransgaz LLC의 실험 현장에 있는 가스 파이프라인 음극 보호 스테이션에서 "현장" 테스트를 이미 통과했습니다. 정격 전력 1.5kW의 발전소는 10,000 시간 이상 작동했으며 이러한 장치의 사용 가능성이 높습니다.

Ural Federal University와 IHTE의 공동 연구실의 틀 내에서 양성자 전도성 세라믹 막을 기반으로 한 전기화학 장치가 개발되고 있습니다. 이것은 가까운 장래에 고체 산화물 연료 전지의 작동 온도를 섭씨 900도에서 500도까지 낮추고 탄화수소 연료의 예비 개질을 포기하는 것을 가능하게 하여 다음 조건에서 작동할 수 있는 비용 효율적인 전기화학 발전기를 만들 수 있습니다. 러시아에서 가스 공급 인프라를 개발했습니다.

알렉산더 두보프

지식의 생태학 과학 및 기술: 수소 에너지는 가장 효율적인 산업 중 하나이며 연료 전지를 통해 혁신 기술의 최전선에 남을 수 있습니다.

연료전지는 수소가 풍부한 연료로부터 전기화학적 반응을 통해 효율적으로 직류와 열을 발생시키는 장치이다.

연료 전지는 화학 반응을 통해 직류를 생성한다는 점에서 배터리와 유사합니다. 다시 말하지만, 연료 전지는 배터리와 마찬가지로 양극, 음극 및 전해질을 포함합니다. 그러나 연료 전지는 배터리와 달리 전기 에너지를 저장할 수 없고 방전되지 않으며 재충전을 위해 전기가 필요하지 않습니다. 연료 전지는 연료와 공기가 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산할 수 있습니다. 정확한 용어작동하는 연료 전지를 설명하기 위해 일부 보조 시스템이 전체 작동에 필요하기 때문에 요소 시스템입니다.

가스, 석탄, 석유 등으로 구동되는 내연 기관이나 터빈과 같은 다른 발전기와 달리 연료 전지는 연료를 연소하지 않습니다. 이것은 시끄러운 고압 로터, 시끄러운 배기 소음, 진동이 없음을 의미합니다. 연료 전지는 조용한 전기 화학 반응을 통해 전기를 생성합니다. 연료 전지의 또 다른 특징은 연료의 화학 에너지를 직접 전기, 열 및 물로 변환한다는 것입니다.

연료 전지는 고효율이며 이산화탄소, 메탄 및 아산화질소와 같은 온실 가스를 많이 생성하지 않습니다. 연료전지에서 배출되는 유일한 생성물은 수증기 형태의 물과 소량의 이산화탄소로 순수 수소를 연료로 사용하면 전혀 배출되지 않는다. 연료 전지는 어셈블리로 조립된 다음 개별 기능 모듈로 조립됩니다.

연료 전지의 작동 원리

연료전지는 전해질, 양극, 음극을 이용하여 진행 중인 전기화학적 반응으로 전기와 열을 발생시킨다.

양극과 음극은 양성자를 전도하는 전해질에 의해 분리됩니다. 수소가 양극에 들어가고 산소가 음극에 들어가면 화학 반응이 시작되어 전류, 열 및 물이 생성됩니다. 양극 촉매에서 분자 수소는 해리되어 전자를 잃습니다. 수소 이온(양성자)은 전해질을 통해 음극으로 전도되고 전자는 전해질과 외부 전기 회로를 통과하여 장비에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 직류를 생성합니다. 음극 촉매에서 산소 분자는 전자(외부 통신에서 공급됨) 및 들어오는 양성자와 결합하여 유일한 반응 생성물(증기 및/또는 액체 형태)인 물을 형성합니다.

다음은 해당 반응입니다.

양극 반응: 2H2 => 4H+ + 4e-
음극에서의 반응: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
일반 원소 반응: 2H2 + O2 => 2H2O

연료 전지 유형

다양한 유형의 내연 기관이 존재하는 것과 유사하게 연료 전지의 종류도 다양합니다. 적절한 연료 전지 유형의 선택은 적용 분야에 따라 다릅니다.연료전지는 고온과 저온으로 구분됩니다. 저온 연료 전지는 연료로 비교적 순수한 수소를 필요로 합니다.

이것은 종종 1차 연료(천연 가스와 같은)를 순수한 수소로 전환하기 위해 연료 처리가 필요함을 의미합니다. 이 프로세스는 추가 에너지를 소비하고 특수 장비가 필요합니다. 고온 연료 전지는 고온에서 연료를 "내부적으로 변환"할 수 있으므로 이러한 추가 절차가 필요하지 않습니다. 즉, 수소 인프라에 투자할 필요가 없습니다.

용융 탄산염(MCFC)의 연료 요소.

용융 탄산염 전해질 연료 전지는 고온 연료 전지입니다. 작동 온도가 높기 때문에 연료 프로세서 없이 천연 가스를 직접 사용할 수 있고 공정 연료 및 기타 소스에서 나오는 발열량이 낮은 연료 가스를 사용할 수 있습니다. 이 프로세스는 1960년대 중반에 개발되었습니다. 그 이후로 제조 기술, 성능 및 신뢰성이 향상되었습니다.

RCFC의 작동은 다른 연료 전지와 다릅니다. 이 전지는 용융 탄산염 혼합물의 전해질을 사용합니다. 현재 탄산리튬과 탄산칼륨 또는 탄산리튬과 탄산나트륨의 두 가지 유형의 혼합물이 사용됩니다. 탄산염을 녹이고 전해질에서 이온의 높은 이동도를 달성하기 위해 용융 탄산염 전해질을 사용하는 연료 전지는 고온(650°C)에서 작동합니다. 효율성은 60-80% 사이에서 다양합니다.

650°C의 온도로 가열되면 염은 탄산염 이온(CO32-)의 전도체가 됩니다. 이 이온은 음극에서 양극으로 이동하여 수소와 결합하여 물, 이산화탄소 및 자유 전자를 형성합니다. 이 전자는 외부 전기 회로를 통해 음극으로 다시 보내져 부산물로 전류와 열을 생성합니다.

양극 반응: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
음극에서의 반응: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
일반 원소 반응: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(음극) => H2O(g) + CO2(음극)

용융 탄산염 전해질 연료 전지의 높은 작동 온도에는 몇 가지 장점이 있습니다. 고온에서 천연 가스는 내부적으로 개질되어 연료 처리기가 필요하지 않습니다. 또한 전극에 스테인리스 강판 및 니켈 촉매와 같은 표준 구성 재료를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 폐열은 다양한 산업 및 상업 응용 분야에서 고압 증기를 생성하는 데 사용할 수 있습니다.

전해질의 높은 반응 온도에도 장점이 있습니다. 고온을 사용하면 최적의 작동 조건에 도달하는 데 오랜 시간이 걸리고 시스템은 에너지 소비 변화에 더 느리게 반응합니다. 이러한 특성으로 인해 일정한 전력 조건에서 용융 탄산염 전해질이 있는 연료 전지 시스템을 사용할 수 있습니다. 고온은 일산화탄소, "중독" 등에 의한 연료 전지 손상을 방지합니다.

용융 탄산염 연료 전지는 대형 고정 설비에 사용하기에 적합합니다. 2.8MW의 출력 전력을 가진 화력 발전소는 산업적으로 생산됩니다. 최대 100MW의 출력을 가진 발전소가 개발되고 있습니다.

인산(PFC) 기반 연료 전지.

인산(orthophosphoric) 산을 기반으로 하는 연료 전지는 상업적으로 사용된 최초의 연료 전지였습니다. 이 프로세스는 1960년대 중반에 개발되었으며 1970년대부터 테스트되었습니다. 그 이후로 안정성, 성능 및 비용이 증가했습니다.

인산(오르토인)산 기반 연료 전지는 최대 100% 농도의 오르토인산(H3PO4) 기반 전해질을 사용합니다. 인산의 이온 전도도는 저온에서 낮기 때문에 이러한 연료 전지는 최대 150–220°C의 온도에서 사용됩니다.

이러한 유형의 연료 전지에서 전하 캐리어는 수소(H+, 양성자)입니다. 양극에 공급된 수소가 양성자와 전자로 분리되는 양성자 교환막 연료 전지(MEFC)에서도 유사한 과정이 발생합니다. 양성자는 전해질을 통과하고 음극에서 공기의 산소와 결합하여 물을 형성합니다. 전자는 외부 전기 회로를 따라 유도되고 전류가 생성됩니다. 다음은 전기와 열을 발생시키는 반응입니다.

양극 반응: 2H2 => 4H+ + 4e-
음극에서의 반응: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
일반 원소 반응: 2H2 + O2 => 2H2O

인산(오르토인)산 기반 연료전지의 효율은 전기에너지 생성 시 40% 이상이다. 열과 전기의 결합 생산에서 전체 효율은 약 85%입니다. 또한 주어진 작동 온도에서 폐열을 사용하여 물을 가열하고 대기압에서 증기를 생성할 수 있습니다.

열과 전기의 결합 생산에서 인산(오르토인산) 기반 연료 전지의 화력 발전소의 고성능은 이러한 유형의 연료 전지의 장점 중 하나입니다. 공장은 약 1.5% 농도의 일산화탄소를 사용하므로 연료 선택이 크게 확장됩니다. 또한 CO2는 전해질과 연료 전지의 작동에 영향을 미치지 않으며 이러한 유형의 전지는 개질된 천연 연료와 함께 작동합니다. 간단한 구조, 낮은 전해질 휘발성 및 향상된 안정성 또한 이러한 유형의 연료 전지의 장점입니다.

최대 400kW의 출력 전력을 가진 화력 발전소는 산업적으로 생산됩니다. 11MW 설비는 관련 테스트를 통과했습니다. 최대 100MW의 출력을 가진 발전소가 개발되고 있습니다.

양성자 교환막(PME)이 있는 연료 전지

양성자 교환막 연료 전지는 가솔린 및 디젤 내연 기관을 대체할 수 있는 차량 발전용 연료 전지의 가장 좋은 유형으로 간주됩니다. 이 연료 전지는 NASA에서 Gemini 프로그램을 위해 처음 사용했습니다. 오늘날, 1W에서 2kW의 전력을 가진 MOPFC에 설치가 개발되고 시연되고 있습니다.

이 연료전지는 고체 고분자막(얇은 플라스틱 필름)을 전해질로 사용합니다. 물이 함침되면 이 중합체는 양성자를 통과하지만 전자는 전도하지 않습니다.

연료는 수소이고 전하 운반체는 수소 이온(양성자)입니다. 양극에서 수소 분자는 수소 이온(양성자)과 전자로 분리됩니다. 수소 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하고 전자는 외부 원 주위를 이동하여 전기 에너지를 생성합니다. 공기에서 취한 산소는 음극으로 공급되고 전자 및 수소 이온과 결합하여 물을 형성합니다. 전극에서 다음과 같은 반응이 발생합니다.

양극 반응: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
음극에서의 반응: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
일반 원소 반응: 2H2 + O2 => 2H2O

다른 유형의 연료 전지와 비교하여 양성자 교환막 연료 전지는 주어진 연료 전지 부피 또는 무게에 대해 더 많은 전력을 생산합니다. 이 기능을 사용하면 작고 가벼울 수 있습니다. 또한 작동 온도가 100°C 미만이므로 빠르게 작동을 시작할 수 있습니다. 이러한 특성과 에너지 출력을 빠르게 변경할 수 있는 능력은 이러한 연료 전지를 차량용으로 가장 적합한 후보로 만드는 기능 중 일부일 뿐입니다.

또 다른 장점은 전해질이 액체가 아닌 고체라는 것입니다. 캐소드와 애노드에 가스를 유지하는 것은 고체 전해질을 사용하는 것이 더 쉽기 때문에 이러한 연료 전지는 생산 비용이 더 저렴합니다. 고체 전해질을 사용하면 다른 전해질에 비해 배향 등의 문제가 발생하지 않고 부식 발생으로 인한 문제가 적어 전지 및 전지 부품의 내구성이 향상됩니다.

고체산화물 연료전지(SOFC)

고체 산화물 연료 전지는 작동 온도가 가장 높은 연료 전지입니다. 작동 온도는 600°C에서 1000°C까지 다양하므로 특별한 전처리 없이 다양한 유형의 연료를 사용할 수 있습니다. 이러한 고온을 처리하기 위해 사용된 전해질은 얇은 세라믹 기반 고체 금속 산화물이며, 종종 이트륨과 지르코늄의 합금으로 산소(O2-) 이온의 전도체입니다. 고체 산화물 연료 전지를 사용하는 기술은 1950년대 후반부터 발전해 왔습니다. 평면형과 관형의 두 가지 구성이 있습니다.

고체 전해질은 한 전극에서 다른 전극으로 밀폐된 기체 전이를 제공하는 반면, 액체 전해질은 다공성 기질에 위치합니다. 이러한 유형의 연료 전지에서 전하 운반체는 산소 이온(О2-)입니다. 음극에서 산소 분자는 공기로부터 산소 이온과 4개의 전자로 분리됩니다. 산소 이온은 전해질을 통과하고 수소와 결합하여 4개의 자유 전자를 형성합니다. 전자는 외부 전기 회로를 통해 전달되어 전류와 폐열을 생성합니다.

양극 반응: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
음극에서의 반응: O2 + 4e- => 2O2-
일반 원소 반응: 2H2 + O2 => 2H2O

생성된 전기 에너지의 효율은 모든 연료 전지 중 가장 높은 약 60%입니다. 또한 작동 온도가 높기 때문에 열과 발전을 결합하여 고압 증기를 생성할 수 있습니다. 고온의 연료 전지와 터빈을 결합하면 하이브리드 연료 전지가 생성되어 발전 효율을 최대 70%까지 높일 수 있습니다.

고체 산화물 연료 전지는 매우 높은 온도(600°C-1000°C)에서 작동하므로 최적의 작동 조건에 도달하는 데 오랜 시간이 걸리고 시스템이 전력 소비 변화에 더 느리게 반응합니다. 이러한 높은 작동 온도에서 연료로부터 수소를 회수하기 위한 변환기가 필요하지 않아 화력 발전소가 석탄 가스화 또는 폐가스 등으로부터 비교적 불순한 연료로 작동할 수 있습니다. 또한, 이 연료전지는 산업 및 대형 중앙 발전소를 포함한 고전력 응용 분야에 탁월합니다. 출력 전력이 100kW인 산업적으로 생산된 모듈입니다.

직접 메탄올 산화(DOMTE) 연료 전지

메탄올을 직접 산화시키는 연료전지 기술은 활발히 개발되고 있다. 휴대 전화, 랩톱에 전원을 공급하고 휴대용 전원을 만드는 분야에서 성공적으로 자리를 잡았습니다. 이러한 요소의 미래 적용이 목표로 하는 것.

메탄올을 직접 산화시키는 연료 전지의 구조는 MOFEC(양성자 교환막)가 있는 연료 전지와 유사합니다. 폴리머는 전해질로 사용되며 수소 이온(양성자)은 전하 캐리어로 사용됩니다. 그러나 액체 메탄올(CH3OH)은 양극에서 물의 존재하에 산화되어 CO2, 수소 이온 및 전자를 방출하고 외부 전기 회로를 통해 유도되어 전류가 발생합니다. 수소 이온은 전해질을 통과하고 공기의 산소 및 외부 회로의 전자와 반응하여 양극에서 물을 형성합니다.

양극 반응: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
음극에서의 반응: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
일반 원소 반응: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

이러한 연료 전지의 개발은 1990년대 초에 시작되었습니다. 개선된 촉매의 개발과 최근의 다른 혁신 덕분에 전력 밀도와 효율이 최대 40%까지 향상되었습니다.

이러한 요소는 50-120°C의 온도 범위에서 테스트되었습니다. 작동 온도가 낮고 변환기가 필요하지 않은 직접 메탄올 연료 전지는 휴대폰 및 기타 소비자 제품에서 자동차 엔진에 이르는 응용 분야에 가장 적합한 후보입니다. 이러한 유형의 연료 전지의 장점은 액체 연료를 사용하기 때문에 크기가 작고 변환기를 사용할 필요가 없다는 것입니다.

알칼리 연료 전지(AFC)

알칼리 연료 전지(ALFC)는 가장 많이 연구된 기술 중 하나이며 1960년대 중반부터 사용되었습니다. NASA는 Apollo 및 Space Shuttle 프로그램에서 기내에서 이러한 우주선연료전지는 전기를 생산하고 식수. 알카라인 연료전지는 발전 효율이 70%에 달하는 전력을 생산하는 데 사용되는 가장 효율적인 요소 중 하나입니다.

알칼리성 연료 전지는 다공성의 안정화된 매트릭스에 포함된 전해질, 즉 수산화칼륨 수용액을 사용합니다. 수산화칼륨의 농도는 연료 전지의 작동 온도에 따라 달라질 수 있으며, 그 범위는 65°C ~ 220°C입니다. SFC의 전하 운반체는 음극에서 양극으로 이동하는 수산화 이온(OH-)이며 수소와 반응하여 물과 전자를 생성합니다. 양극에서 생성된 물은 음극으로 다시 이동하여 그곳에서 다시 수산화 이온을 생성합니다. 연료 전지에서 일어나는 이러한 일련의 반응의 결과로 전기가 생성되고 부산물로 열이 발생합니다.

양극 반응: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
음극에서의 반응: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
시스템의 일반적인 반응: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC의 장점은 전극에 필요한 촉매가 다른 연료 전지의 촉매로 사용되는 것보다 저렴한 물질일 수 있기 때문에 이러한 연료 전지가 생산하기에 가장 저렴하다는 것입니다. 또한 SCFC는 상대적으로 낮은 온도에서 작동하며 가장 효율적인 연료 전지 중 하나입니다. 이러한 특성은 각각 더 빠른 발전과 높은 연료 효율에 기여할 수 있습니다.

SFC의 특징 중 하나는 연료나 공기에 포함될 수 있는 CO2에 대한 높은 민감도입니다. CO2는 전해질과 반응하여 빠르게 중독되어 연료 전지의 효율을 크게 떨어뜨립니다. 따라서 SFC의 사용은 우주 및 수중 차량과 같은 폐쇄된 공간으로 제한되며 순수한 수소와 산소로 작동해야 합니다. 또한 다른 연료 전지에는 안전하고 일부 연료에도 안전한 CO, H2O 및 CH4와 같은 분자는 SFC에 유해합니다.

고분자 전해질 연료 전지(PETE)

고분자 전해질 연료 전지의 경우 고분자 멤브레인은 물 이온 H2O+(양성자, 빨간색)의 전도가 물 분자에 부착된 물 영역이 있는 고분자 섬유로 구성됩니다. 물 분자는 느린 이온 교환으로 인해 문제가 발생합니다. 따라서 연료와 배기 전극 모두에 고농도의 물이 필요하며 작동 온도를 100°C로 제한합니다.

고체산 연료 전지(SCFC)

고체산 연료 전지에서 전해질(CsHSO4)에는 물이 포함되어 있지 않습니다. 따라서 작동 온도는 100-300°C입니다. SO42-oxy 음이온이 회전하면 그림과 같이 양성자(빨간색)가 이동할 수 있습니다.

일반적으로 고체산 연료전지는 두 개의 단단히 압축된 전극 사이에 매우 얇은 고체산 화합물 층이 샌드위치되어 있어 양호한 접촉을 보장합니다. 가열되면 유기 성분이 증발하여 전극의 기공을 통해 떠나 연료(또는 전지의 다른 쪽 끝에 있는 산소), 전해질 및 전극 사이의 수많은 접촉 능력을 유지합니다.

연료 전지 유형	작동 온도	발전 효율	연료 종류	적용분야
RKTE	550–700°C	50-70%		중대형 설치
FKTE	100–220°C	35-40%	순수한 수소	대규모 설치
모프테	30-100°C	35-50%	순수한 수소	소규모 설치
SOFC	450–1000°C	45-70%	대부분의 탄화수소 연료	소형, 중형 및 대형 설치
폼테	20-90°C	20-30%	메탄올	휴대용 장치
SHTE	50–200°C	40-65%	순수한 수소	우주 연구
피트	30-100°C	35-50%	순수한 수소	소규모 설치

우리와 함께

미국은 2020년까지 수소 연료 전지, 연료 전지 차량을 실용적이고 경제적으로 만들기 위한 기반 시설 및 기술을 개발하기 위해 여러 이니셔티브를 취했습니다. 이러한 목적을 위해 10억 달러 이상이 할당되었습니다.

연료 전지는 환경을 오염시키지 않으면서 조용하고 효율적으로 전기를 생산합니다. 화석 연료 에너지원과 달리 연료 전지의 부산물은 열과 물입니다. 어떻게 작동합니까?

이 기사에서는 오늘날의 기존 연료 기술 각각을 간략하게 검토하고 연료 전지의 설계 및 작동에 대해 이야기하고 이를 다른 형태의 에너지 생산과 비교합니다. 우리는 또한 연료 전지를 소비자에게 실용적이고 저렴하게 만드는 데 있어 연구자들이 직면한 몇 가지 장애물에 대해서도 논의할 것입니다.

연료전지는 전기화학적 에너지 변환 장치. 연료전지는 전기를 생산하는 과정에서 화학물질인 수소와 산소를 물로 변환시킨다.

우리 모두에게 매우 친숙한 또 다른 전기화학 장치는 배터리입니다. 배터리에는 필요한 모든 것이 있습니다. 화학 원소내부에서 이러한 물질을 전기로 변환합니다. 이것은 배터리가 결국 "죽고" 버리거나 재충전한다는 것을 의미합니다.

연료 전지에서는 화학 물질이 지속적으로 공급되어 절대로 "죽지" 않습니다. 흐름이 있는 동안 전기가 생성됩니다. 화학 물질요소에. 오늘날 사용되는 대부분의 연료 전지는 수소와 산소를 사용합니다.

수소는 우리 은하에서 가장 흔한 원소입니다. 그러나 수소는 실제로 지구에 원소 형태로 존재하지 않습니다. 엔지니어와 과학자는 화석 연료나 물을 포함한 수소 화합물에서 순수한 수소를 추출해야 합니다. 이러한 화합물에서 수소를 추출하려면 열이나 전기의 형태로 에너지를 소비해야 합니다.

연료 전지의 발명

1839년 William Grove 경은 최초의 연료 전지를 발명했습니다. 그로브는 물에 전류를 흐르게 함으로써 물이 수소와 산소로 분리될 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 전기분해). 그는 역순으로 전기와 물을 얻을 수 있다고 제안했습니다. 그는 원시 연료 전지를 만들고 이름을 가스 갈바니 배터리. 그의 새로운 발명품을 실험한 후, 그로브는 그의 가설을 증명했습니다. 50년 후 과학자 Ludwig Mond와 Charles Langer는 이 용어를 만들었습니다. 연료 전지들발전을 위한 실용적인 모델을 구축하려고 할 때.

연료 전지는 도시 발전소의 가스터빈, 자동차의 내연 기관 및 모든 종류의 배터리를 비롯한 많은 다른 에너지 변환 장치와 경쟁하게 될 것입니다. 가스터빈과 같은 내연기관은 연소한다. 다른 종류연료를 공급하고 가스 팽창에 의해 생성된 압력을 사용하여 기계적 작업을 수행합니다. 배터리는 필요할 때 화학 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 연료 전지는 이러한 작업을 보다 효율적으로 수행해야 합니다.

연료 전지는 전기 모터, 조명 및 기타 전기 제품에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 DC(직류) 전압을 제공합니다.

연료 전지에는 여러 가지 유형이 있으며 각각 다른 화학 공정을 사용합니다. 연료 전지는 일반적으로 다음과 같이 분류됩니다. 작동 온도그리고 유형전해질,그들이 사용하는 것. 일부 유형의 연료 전지는 고정식 발전소에서 사용하기에 적합합니다. 다른 것들은 소형 휴대용 장치나 자동차에 전원을 공급하는 데 유용할 수 있습니다. 연료 전지의 주요 유형은 다음과 같습니다.

고분자 교환막 연료 전지(PEMFC)

PEMFC는 운송 응용 분야에서 가장 가능성이 높은 후보로 간주됩니다. PEMFC는 높은 전력과 상대적으로 낮은 작동 온도(섭씨 60~80도 범위)를 모두 가지고 있습니다. 낮은 작동 온도는 연료 전지가 빠르게 예열되어 전기 생성을 시작할 수 있음을 의미합니다.

고체산화물 연료전지(SOFC)

이 연료 전지는 공장이나 도시에 전기를 공급할 수 있는 대형 고정식 발전기에 가장 적합합니다. 이러한 유형의 연료 전지는 매우 높은 온도(섭씨 700~1000도)에서 작동합니다. 일부 연료 전지는 몇 번의 스위치 켜기 및 끄기 주기 후에 고장날 수 있기 때문에 고온은 신뢰성 문제입니다. 그러나 고체 산화물 연료 전지는 연속 작동에서 매우 안정적입니다. 실제로 SOFC는 특정 조건에서 모든 연료 전지 중 가장 긴 작동 수명을 입증했습니다. 고온은 또한 연료 전지에서 생성된 증기가 터빈으로 보내져 더 많은 전기를 생성할 수 있다는 장점이 있습니다. 이 과정을 열병합 발전전반적인 시스템 효율성을 향상시킵니다.

알칼리 연료 전지(AFC)

1960년대부터 사용된 가장 오래된 연료 전지 설계 중 하나입니다. AFC는 순수한 수소와 산소를 필요로 하기 때문에 오염에 매우 취약합니다. 또한, 가격이 매우 비싸기 때문에 이러한 유형의 연료 전지는 대량 생산에 투입되기 어렵습니다.

용융 탄산염 연료 전지(MCFC)

SOFC와 마찬가지로 이러한 연료 전지는 대형 고정식 발전소 및 발전기에도 가장 적합합니다. 그들은 섭씨 600도에서 작동하므로 증기를 생성할 수 있으며, 이 증기를 사용하여 더 많은 전력을 생성할 수 있습니다. 고체 산화물 연료 전지보다 작동 온도가 낮아 내열 재료가 필요하지 않습니다. 이것은 그들을 조금 더 저렴하게 만듭니다.

인산 연료 전지(PAFC)

인산 연료 전지소규모 고정 전력 시스템에 사용할 가능성이 있습니다. 고분자 교환막 연료전지보다 높은 온도에서 작동하기 때문에 예열 시간이 길어 자동차용으로는 부적합하다.

메탄올 연료 전지 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)

메탄올 연료 전지는 작동 온도 측면에서 PEMFC와 비슷하지만 효율적이지 않습니다. 또한, DMFC는 촉매로 상당히 많은 백금을 필요로 하기 때문에 이러한 연료 전지를 고가로 만듭니다.

고분자 교환막이 있는 연료전지

고분자 교환막 연료 전지(PEMFC)는 가장 유망한 연료 전지 기술 중 하나입니다. PEMFC는 모든 연료 전지의 가장 간단한 반응 중 하나를 사용합니다. 그것이 무엇으로 구성되어 있는지 고려하십시오.

1. 하지만 마디 – 연료 전지의 음극 단자. 수소 분자에서 방출된 전자를 전도한 후 외부 회로에서 사용할 수 있습니다. 수소 가스가 촉매 표면에 고르게 분포되는 채널이 새겨져 있습니다.

2.에게 원자 - 연료 전지의 양극 단자에는 촉매 표면에 산소를 분배하는 채널도 있습니다. 또한 촉매의 외부 사슬에서 전자를 다시 전도하여 수소 및 산소 이온과 결합하여 물을 형성할 수 있습니다.

3.전해질-양성자 교환막. 양전하 이온만을 전도하고 전자를 차단하는 특수 처리된 물질입니다. PEMFC에서 멤브레인은 제대로 기능하고 안정적으로 유지되도록 수화되어야 합니다.

4. 촉매산소와 수소의 반응을 촉진하는 특수 물질입니다. 그것은 일반적으로 탄소 종이나 직물에 매우 얇게 증착된 백금 나노 입자로 만들어집니다. 촉매는 백금의 최대 표면적이 수소나 산소에 노출될 수 있는 표면 구조를 가지고 있다.

그림은 수소 가스(H2)가 양극 쪽에서 압력을 받아 연료 전지로 들어가는 것을 보여줍니다. H2 분자가 촉매의 백금과 접촉하면 두 개의 H+ 이온과 두 개의 전자로 분리됩니다. 전자는 외부 회로에서 사용되는 양극을 통과합니다. 유용한 작업, 모터 회전과 같은) 및 연료 전지의 캐소드 측으로 복귀합니다.

한편, 연료 전지의 캐소드 측에서는 공기 중의 산소(O2)가 촉매를 통과하여 두 개의 산소 원자를 형성합니다. 이 원자들 각각은 강한 음전하를 띠고 있습니다. 이 음전하는 막을 가로질러 2개의 H+ 이온을 끌어당겨 산소 원자와 결합하고 외부 회로에서 2개의 전자와 결합하여 물 분자(H2O)를 형성합니다.

단일 연료 전지에서 이 반응은 약 0.7볼트만 생성합니다. 전압을 적당한 수준으로 올리기 위해서는 많은 개별 연료 전지를 결합하여 연료 전지 스택을 형성해야 합니다. 양극판은 하나의 연료 전지를 다른 연료 전지에 연결하고 전위가 감소하면서 산화되는 데 사용됩니다. 양극판의 가장 큰 문제는 안정성입니다. 금속 양극판은 부식될 수 있으며 부산물(철 및 크롬 이온)은 연료 전지 멤브레인 및 전극의 효율을 감소시킵니다. 따라서 저온 연료전지는 경금속, 흑연, 탄소와 열경화성 물질(열경화성 물질은 고온에도 고체 상태를 유지하는 플라스틱의 일종)의 복합 화합물을 양극성 시트(bipolar sheet) 형태로 사용한다.

연료전지 효율

오염을 줄이는 것은 연료 전지의 주요 목표 중 하나입니다. 연료 전지로 구동되는 자동차와 가솔린 엔진으로 구동되는 자동차 및 배터리로 구동되는 자동차를 비교함으로써 연료 전지가 자동차의 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는지 알 수 있습니다.

세 가지 유형의 자동차 모두 동일한 구성 요소가 많기 때문에 자동차의 이 부분을 무시하고 비교합니다. 유익한 행동기계적 에너지가 생성되는 지점까지. 연료 전지 자동차부터 시작하겠습니다.

연료 전지가 순수한 수소로 구동되는 경우 효율은 최대 80%가 될 수 있습니다. 따라서 수소의 에너지 함량의 80%를 전기로 변환합니다. 그러나 우리는 여전히 전기 에너지를 기계적 작업으로 변환해야 합니다. 이것은 전기 모터와 인버터에 의해 달성됩니다. 모터+인버터의 효율도 약 80%이다. 이것은 대략 80*80/100=64%의 전체 효율을 제공합니다. 혼다의 FCX 컨셉트카는 60%의 에너지 효율을 가지고 있는 것으로 알려졌다.

연료 소스가 순수한 수소 형태가 아닌 경우 차량에도 리포머가 필요합니다. 개질기는 탄화수소 또는 알코올 연료를 수소로 변환합니다. 그들은 열을 생성하고 수소 외에 CO 및 CO2를 생성합니다. 생성된 수소를 정제하기 위해 그들은 다음을 사용합니다. 다양한 장치, 그러나 이러한 세정은 불충분하고 연료전지의 효율을 감소시킨다. 따라서 연구원들은 수소 생산 및 저장과 관련된 문제에도 불구하고 순수 수소로 달리는 차량용 연료 전지에 집중하기로 결정했습니다.

가솔린 엔진 및 전기 배터리의 자동차 효율

가솔린으로 구동되는 자동차의 효율성은 놀라울 정도로 낮습니다. 배기의 형태로 나가거나 라디에이터에 의해 흡수되는 모든 열은 낭비되는 에너지입니다. 또한 엔진은 계속 작동하는 다양한 펌프, 팬 및 발전기를 돌리기 위해 많은 에너지를 사용합니다. 따라서 자동차 가솔린 엔진의 전체 효율은 약 20%입니다. 따라서 가솔린의 열 에너지 함량의 약 20%만이 기계적 일로 변환됩니다.

배터리로 구동되는 전기 자동차는 상당히 높은 효율을 가지고 있습니다. 배터리 효율은 약 90%이고(대부분의 배터리는 약간의 열을 발생시키거나 가열해야 함) 모터 + 인버터는 약 80% 효율입니다. 이것은 약 72%의 전체 효율을 제공합니다.

하지만 그게 다가 아닙니다. 전기차가 움직이기 위해서는 먼저 어딘가에서 전기를 생산해야 한다. 원자력, 수력, 태양 또는 풍력이 아닌 화석 연료 연소 과정을 사용하는 발전소라면 발전소에서 소비하는 연료의 약 40%만 전기로 전환됩니다. 또한 자동차를 충전하려면 교류(AC) 전력을 직류(DC) 전력으로 변환해야 합니다. 이 프로세스의 효율성은 약 90%입니다.

이제 전체 주기를 보면 전기차의 효율은 자동차 자체 72%, 발전소 40%, 자동차 충전 90%입니다. 이것은 26%의 전체 효율성을 제공합니다. 전체 효율은 배터리를 충전하는 데 사용되는 발전소에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어 수력 발전소에서 자동차용 전기를 생산한다면 전기 자동차의 효율은 약 65%가 됩니다.

과학자들은 연료 전지 효율성을 지속적으로 개선하기 위해 설계를 연구하고 개선하고 있습니다. 새로운 접근 방식 중 하나는 연료 전지와 배터리 구동 차량을 결합하는 것입니다. 연료 전지 구동 하이브리드 파워트레인으로 구동되는 컨셉트 차량이 개발되고 있습니다. 리튬 배터리를 사용하여 자동차에 전원을 공급하는 동안 연료 전지가 배터리를 충전합니다.

연료 전지 차량은 잠재적으로 화석 연료가 없는 발전소에서 충전되는 배터리 구동 자동차만큼 효율적입니다. 그러나 이러한 잠재력의 달성은 실용적이고 접근 가능한 방법어려울 수 있습니다.

연료 전지를 사용하는 이유는 무엇입니까?

주된 이유는 석유와 관련된 모든 것입니다. 미국은 석유의 거의 60%를 수입해야 합니다. 2025년까지 수입은 68%로 증가할 것으로 예상됩니다. 미국인들은 매일 석유의 3분의 2를 운송에 사용합니다. 거리의 모든 자동차가 하이브리드 자동차라고 해도 2025년까지 미국은 여전히 ​​2000년 미국인이 소비한 것과 동일한 양의 기름을 사용해야 합니다. 실제로 미국은 세계 인구의 4.6%만이 여기에 살고 있지만 세계에서 생산되는 모든 석유의 4분의 1을 소비합니다.

전문가들은 더 저렴한 공급원이 고갈됨에 따라 향후 수십 년 동안 유가가 계속 상승할 것으로 예상합니다. 석유 회사발전해야 한다 유전점점 더 어려운 상황에서 유가가 상승합니다.

두려움은 훨씬 더 멀리 확장됩니다. 경제 안보. 석유 판매 수익금의 상당 부분은 국제 테러, 급진 정당, 산유국의 불안정한 상황을 지원하는 데 사용됩니다.

석유 및 기타 화석 연료를 에너지로 사용하면 오염이 발생합니다. 화석 연료를 태워 에너지로 사용하는 대안을 찾는 것이 모든 사람에게 가장 좋습니다.

연료 전지는 석유 의존성에 대한 매력적인 대안입니다. 연료 전지는 오염 대신 깨끗한 물을 부산물로 생성합니다. 엔지니어들은 일시적으로 가솔린이나 천연 가스와 같은 다양한 화석 소스에서 수소를 생산하는 데 집중했지만 미래에는 재생 가능하고 환경 친화적인 수소 생산 방법이 모색되고 있습니다. 물론 가장 유망한 것은 물에서 수소를 얻는 과정일 것이다.

석유 의존과 지구 온난화는 국제적 문제입니다. 여러 국가가 연료 전지 기술에 대한 연구 개발 개발에 공동으로 참여하고 있습니다.

분명히 과학자와 제조업체는 연료 전지가 대안이 되기 전에 해야 할 일이 많습니다. 현대적인 방법에너지 생산. 그러나 전 세계의 지원과 글로벌 협력으로 연료 전지를 기반으로 하는 실행 가능한 에너지 시스템은 수십 년 안에 현실이 될 수 있습니다.