燃料电池

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充电电池不能清醒地动力电动车在相当一段时间. 如果没有可靠和广阔的电池, 你失去了流动性质量的挑战. 因此，该行业正在更加积极地替代能源的来源，以石油问题. 这是锂电池最有希望的替代方向, 他们是燃料电池.

这些细胞功能的基本原理是由英国科学家发现的 威廉格罗夫爵士 在 1839. 他被称为燃料电池之父. 威廉格罗夫 通过改变水的电解方式来发电以提取氢气和氧气.

断开电池与电解池的连接后, 树林 他惊讶地发现电极开始吸收释放的气体并产生电流. 冷燃烧过程的发现 “roc” 氢已成为能源领域的重大事件.

术语本身 “燃料电池” 后来出现是在 1889 该 路德维希月亮 Ë 查尔斯·兰格, 谁试图创建一种设备来利用空气和煤气发电.

在正常燃烧期间, 氧气氧化化石燃料，燃料的化学能被无效地转化为热能. 事实证明可以进行氧化反应, 例如氢气和氧气, 在存在电极的电解介质中获得电流. 例如, 向位于碱性介质中的电极供应氢, 我们得到电子:

2H₂ + 4哦- → 4H₂该 + 4Ë-

那, 通过外部电路, 他们去对面的电极, 氧气进入和发生反应的地方:

4Ë- + 该₂ + 2H₂O→4OH-

可以看出产生的反应 2H₂ + 该₂ →高₂该 和普通燃烧一样, 但在燃料电池中, 或在电化学发生器中, 高效地产生电流并部分发热.

注意 卡本, 一氧化碳, 酒类, 肼和其他有机物质也可用作燃料电池和空气中的燃料, 过氧化氢, 氯, 溴, 硝酸, 等等. 它们可用作氧化剂.

在 1965 燃料电池在美国双子星飞船上进行了测试 5 Ë, 随后, 在阿波罗号登月计划和航天飞机计划下.

燃料电池快速发展的下一阶段始于1990年代，并一直持续到现在. 这是由于需要连接新的高效能源, 在一边, 全球环境问题，即化石燃料燃烧产生的温室气体排放增加，以及, 在另一, 随着这些燃料的耗尽. 由于水是燃料电池中氢燃烧的最终产物, 就环境影响而言，它们被认为是最清洁的. 主要问题只是找到一种有效且经济的方式来生产氢气.

数十亿美元的燃料电池和氢气发生器开发投资将导致技术突破并使其在日常生活中的应用成为现实. 巴拉德（Ballard）等前汽车巨头, 本田, 戴姆勒克莱斯勒和通用汽车已经在测试燃料电池汽车和公共汽车 50 千瓦. 几家公司已经发展 示范工厂使用燃料电池和固体氧化物电解质，容量高达 500 千瓦. 妈, 尽管在改善燃料电池性能方面迈出了重要一步, 您需要解决更多与成本相关的问题, 可靠性和安全性.

在燃料电池中, 不像电池和蓄电池, 燃料和氧化剂均从外部供应. 燃料电池只是反应中的介体，在理想条件下，它几乎可以永远工作. 这项技术的伟大之处在于, 事实上, 升’元素燃烧燃料并将释放的能量直接转换为电能. 直接燃油燃烧, 它被氧气氧化，并且在此过程中产生的热量用于执行有用的工作.

在燃料电池中, 如电池, 燃料的氧化反应和氧的还原在空间上分开，并且过程 “燃烧” 仅当电池向负载发射电流时，它才会继续. 就像一个 柴油发电机, 仅不带柴油发动机, 无烟, 噪声, 过热且效率更高. 后者的解释是，, 首先, 没有中间机械设备, 其次, 燃料电池不是热引擎，因此不遵守卡诺定律 (或, 它的效率不是由温差决定的).

氧气被用作燃料电池中的氧化剂. 还, 因为空气中的氧气足够, 无需担心氧化剂的供应. 至于燃料, 它是氢. 然后, 反应发生在燃料电池中:

2H₂ + 该₂ →高₂该 + 电力 + 热.

一世结果是有用的能量和水蒸气. 最简单的设计是 带有质子交换膜的燃料电池 (见图 1). 它的工作原理如下: 进入元素的氢在电子和氢离子H的催化作用下分解 + 带正电. 然后特殊的膜开始起作用, 在传统电池中用作电解质. 由于其化学成分, 使质子通过自身, 但它会俘获电子. 因此, 积聚在阳极上的电子产生过量的负电荷，氢离子在阴极上产生正电荷 (元件上的张力约为 1 V).

创造高功率, 燃料电池由多个电池组成. 如果您在负载中包括一个项目, 电子将通过它流到阴极, 产生电流并完成氧气对氢的氧化过程. 作为此类燃料电池中的催化剂, 通常使用沉积在碳纤维上的铂微粒. 由于其结构, 这样的催化剂可以很好地通过燃气和电力. 膜通常由聚合物制成 纳菲翁 含硫. 膜的厚度是十分之一毫米. 反应期间, 自然, 热量也被释放, 但这不是很多, 因此工作温度保持在此范围内 40-80 C.

图. 1 燃料电池的工作原理

还有其他类型的燃料电池, 主要区别在于所用电解液的类型. 几乎所有人都需要氢气作为燃料, 因此出现了一个逻辑问题: 在哪里找到它. 当然, 有可能在特殊容器中使用压缩氢气, 但随后，这种高度易燃的高压气体的运输和储存立即出现问题. 当然, 可以像金属氢化物电池那样以链接形式使用氢. 但是其提取和运输的任务仍然存在, 因为没有加氢站的基础设施.

然而, 还有一个解决方案: 液态碳氢燃料可用作氢源. 例如, 乙醇或甲醇. 这是真的, 在这里您已经需要特殊的附加设备: 燃油转换器, 在高温下将酒精转化为氢气和二氧化碳的混合物 (对于甲醇，它将在某处 240 C).

图2甲醇燃料电池的工作原理

氢和甲醇填充元素之间的根本区别是所使用的催化剂. 甲醇燃料电池中的催化剂可使质子直接从醇分子中去除. 因此, 燃油问题解决了: 甲醇是化学工业的大量生产, 易于存储和运输以及装载甲醇燃料电池, 只需用燃油更换墨盒. 这是真的, 有一个负面的方面: 甲醇有毒. 还, 甲醇燃料电池的效率明显低于氢燃料电池.

图3. 甲醇燃料电池

最诱人的选择是使用乙醇作为燃料, 由于在世界范围内已经建立了各种成分和浓度的酒精饮料的生产和分销渠道，. 然而, 乙醇基燃料电池的效率, 不幸的是, 它甚至比甲醇还要低.

正如在燃料电池领域多年发展中已经指出的那样, 已经建造了各种类型的燃料电池. 燃料电池按电解质和燃料类型分类.

1. 固体聚合物氢氧电解质.

2. 固体聚合物甲醇燃料电池.

3. 碱性电解液中的元素.

4. 磷酸燃料电池.

5. 熔融碳酸盐上的燃料电池.

6. 固体氧化物燃料电池.

理想地, 燃料电池的效率非常高, 但在实际情况下，存在与非平衡过程相关的损失, 由于电解质和电极的导电性导致的欧姆损耗, 活化和浓度极化和扩散损失. 结果, 燃料电池中产生的部分能量转化为热量. 专家们的努力旨在减少这些损失.

主要来源是欧姆损耗, 以及燃料电池价格高昂的原因, 是离子交换的膜. 他们现在正在寻找更便宜的质子传导替代聚合物. 因为这些膜的导电性 (固体电解质) 达到可接受的值 (10 欧姆 / 厘米) 仅在水存在下, 供应到燃料电池的气体必须在专用设备中进一步润湿, 这也使系统更加昂贵. 在催化气体扩散电极中, 主要使用铂和其他一些贵金属, 到目前为止，还没有找到同样有效的替代品. 尽管燃料电池中的铂含量为几毫克 / 平方厘米, 对于大型电池，其数量可达数十克.

设计燃料电池时, 排热系统备受关注, 因为在高电流密度下 (高达1A / 平方厘米) 系统自身过热. 冷却, 燃料电池中循环的水通过特殊的渠道使用，并且, 低容量, 使用通风.

然后, 除了燃料电池本身, 电化学发生器的现代系统 “长大” 有很多辅助设备, 来: 抽水机, 供气压缩机, 氢的输入, 气体加湿器, 冷却单元, 气体泄漏控制系统, 直流到交流转换器，控制处理器等, 所有这些导致一个事实，即该时期内燃料电池系统的成本 2004-2005 是 2-3 千 $ / 千瓦. 据专家介绍, 燃料电池可用于运输和固定式发电厂，价格为 50-100 $ / 千瓦.

用于在日常生活中引入燃料电池, 以及更便宜的组件, 我们必须等待新的想法和原始的方法. 特别是, 人们对纳米材料和纳米技术的使用寄予厚望. 例如, 最近有几家公司宣布创建超高效催化剂, 尤其, 用于基于各种金属纳米粒子组的氧电极.

已经报道了无膜燃料电池设计，其中向燃料电池供应了液体燃料。 (像甲醇) 与氧化剂一起. 一个有趣的概念是生物燃料元件的发展概念，该生物燃料元件在污水中运行，并消耗溶解的氧作为氧化剂，消耗有机杂质作为燃料。.

第一, 有必要解决燃料电池小型化的问题. 毕竟, 燃料电池越小, 能够提供的功率越低, 因此，不断开发出允许使用的新催化剂和电极, 小尺寸, 最大化工作面积.

纳米技术和纳米材料领域的最新发展 (例如纳米管) 他们很有用.

需要解决的第二个主要问题是价格. 其实, 作为大多数燃料电池的催化剂, 使用非常昂贵的铂金. 再次, 一些制造商正试图充分利用已经发展完善的硅技术.

研究人员已经证明了从水中产生氢并将其储存在石墨烯的碳原子中的可能性. 要做到这一点 “迷你工厂” 氢, 他们使用了石墨烯涂层的镍表面. “通过结合两种材料的特性”, 确认, “该装置充当催化剂，可破坏水分子并将其分为氢原子和羟基 (哦)”. 然后产生的氢被石墨烯本身吸收, 因此，它在室温下提供了自然的存储系统. 释放氢, 只需将石墨烯加热到约 130 C.

从今年12月初开始的新闻刚刚结束, 博世将在无锡市开发燃料电池, 在中国东部, 目的是为本地新兴市场提供燃料电池汽车.

您不一定非要出国才能找到这项技术, 在皮埃蒙特，由燃料电池驱动的火车正在接受测试.

如您所见，最终解决方案不是指日可待，但许多人都在寻找它, 所有尚未成熟的技术都会发生这种情况.