水素燃料電池の動作原理と設計。 燃料電池を使用して建物に電力を供給する

私は長い間、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。 早速、ロシアにおける燃料電池の状況について説明したいと思います。

コストがかなり高いことと、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完全に不足しているため、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、これらの燃料電池の人気が年々高まっています。 秘密は何ですか？ 見てみましょう。 この装置は環境に優しく、使いやすく、効果的です。 それは電気エネルギーを必要とする人の助けになります。 道路やハイキングに持ち運んだり、カントリーハウスやアパートで自律型電源として使用したりできます。

燃料電池の電気は、タンク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。 シリンダーは爆発性ではないため、クローゼットの中で何年も保管し、翼の中で待機することができます。 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。 安全に、静かに、排出物を出さずに水素を従来の電気に変換するユニークな新しい軽量燃料電池。

このタイプの電気は、中央電源のない場所や非常用電源として使用できます。

充電し、充電プロセス中に電力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、燃料容器を交換する際の独自の省電力機能により、使用期間中ずっと電力を途切れることなく提供します。これにより、ユーザーは消費者の電源を切る必要がなくなります。 密閉ケースでは、燃料電池は水素の体積を失わず、出力も低下することなく数年間保存できます。

この燃料電池は、科学者や研究者、法執行機関、緊急対応者、ボートやマリーナの所有者、その他緊急時に信頼できる電源を必要とするあらゆる人向けに設計されています。
12 ボルトまたは 220 ボルトを取得すれば、テレビ、ステレオ、冷蔵庫、コーヒーメーカー、ケトル、掃除機、ドリル、電子レンジ、その他の電化製品を使用するのに十分なエネルギーが得られます。

ハイドロセル燃料電池は、単一ユニットとして、または 2 ～ 4 セルのバッテリーとして販売できます。 2 つまたは 4 つの要素を組み合わせて、電力を増やしたり、アンペア数を増やしたりできます。

燃料電池を搭載した家庭用電化製品の動作時間

	電気製品	1日あたりの稼働時間(分)	必須 1日あたりの電力(Wh)	燃料電池での動作時間
	電気湯沸かし器
	コーヒーメーカー
	マイクロスラブ
	テレビ
	電球 60W 1個
	電球 75W 1個
	60W電球3個
	ラップトップコンピュータ
	冷蔵庫
	省エネランプ

* - 連続運転

燃料電池は専用の水素ステーションでフル充電されます。 しかし、遠く離れた場所に旅行し、充電する方法がない場合はどうすればよいでしょうか? 特にそのような場合に備えて、Alfaintek の専門家は、燃料電池をより長く動作させることができる水素を貯蔵するためのシリンダーを開発しました。

シリンダーはNS-MN200とNS-MN1200の2種類を生産しています。
組み立てられたNS-MH200はコカ・コーラの缶より少し大きく、40Ah（12V）に相当する230リットルの水素を保持し、重量はわずか2.5kgです。
NS-MH1200メタル水素化物シリンダーには、220Ah（12V）に相当する1200リットルの水素が入ります。 シリンダーの重量は11kgです。

金属水素化物を使用する技術は安全であり、 簡単な方法水素の貯蔵、輸送、使用。 金属水素化物として保存される場合、水素は次のような形になります。 化合物、気体の形ではありません。 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 bar であることです。

シリンダーは爆発性がなく、物質の体積を減らさずに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、シリンダーから得られる水素の純度は 99.999% と非常に高くなっています。 金属水素化物水素貯蔵シリンダーは、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、燃料電池または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、私たちの国民の中には、それらを必要としている人がたくさんいます。 まあ、様子を見ましょう、そうすればわかります、いくつかあります。 それまでの間、私たちは国が課した省エネ電球を購入するつもりです。

追伸 どうやらこの話題はついに忘れ去られてしまったようだ。 この記事が書かれてから何年も経ちますが、何も生まれていません。 もちろん、私があちこちを見ているわけではないかもしれませんが、私の目に留まるものはまったく楽しいものではありません。 技術もアイデアも良いのですが、まだ発展途上です。

燃料電池・電池のメリット

燃料電池は、効率よく燃料を生産する装置です。 DC電気化学反応を通じて水素が豊富な燃料から熱が発生します。

燃料電池は、化学反応を通じ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、燃料電池は電気エネルギーを蓄えることができず、放電したり、再充電するために電気を必要としたりしません。 燃料電池は、燃料と空気が供給されている限り、継続的に電気を生成できます。

ガス、石炭、燃料油などを動力源とする内燃エンジンやタービンなどの他の発電機とは異なり、燃料電池は燃料を燃やしません。 これは、騒音を発するローターがないことを意味します 高圧、大きな排気音、振動。 燃料電池/セルは、静かな電気化学反応を通じて電気を生成します。 燃料電池のもう 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、生産性が高くありません。 大量二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素などの温室効果ガス。 動作中の唯一の排出生成物は、蒸気の形の水と少量の二酸化炭素です。純粋な水素が燃料として使用される場合、二酸化炭素はまったく放出されません。 燃料要素/セルはアセンブリに組み立てられ、その後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、燃料電池に関する最も差し迫った課題の 1 つは、米国航空研究局の必要性から生じました。 宇宙空間米国 (NASA) の長期宇宙ミッションのためのエネルギー源。 NASA のアルカリ燃料電池は、電気化学反応で 2 つの化学元素を組み合わせることで、水素と酸素を燃料として使用します。 生成される生成物は、宇宙飛行中の反応による 3 つの有用な副産物です。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めるための熱です。

燃料電池の発見は 19 世紀初頭に遡ります。 燃料電池の効果に関する最初の証拠は 1838 年に得られました。

1930 年代後半にアルカリ電解質を使用した燃料電池の研究が始まり、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に燃料電池が開発され、1958 年に直径 25 cm 強のアルカリ燃料電池からなる燃料集合体が導入されました。

1950 年代と 1960 年代、そして産業界が石油燃料の不足を経験した 1980 年代にも関心が高まりました。 同じ時期に、世界各国も大気汚染の問題を懸念し、環境に優しい方法で発電する方法を検討しました。 燃料電池技術は現在急速に発展しています。

燃料電池・電池の動作原理

燃料電池/電池は、電解質、カソード、アノードを使用して起こる電気化学反応により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、酸素がカソードに到着すると、化学反応が始まります。 電気、熱と水。

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、電子は電解質を通って外部電気回路を通過し、機器に電力を供給するために使用できる直流を生成します。 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て、唯一の反応生成物 (蒸気および/または液体の形態) である水を形成します。

以下は対応する反応です。

アノードでの反応: 2H 2 => 4H+ + 4e -
カソードでの反応: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
元素の一般的な反応: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

燃料要素/セルの種類と種類

内燃機関にもさまざまな種類があるのと同じように、 各種燃料電池 – 適切なタイプの燃料電池の選択は用途によって異なります。

燃料電池は高温用と低温用に分けられます。 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。 このプロセスでは追加のエネルギーが消費され、特別な装置が必要になります。 高温燃料電池では、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、水素インフラに投資する必要がありません。

溶融炭酸塩燃料電池/セル (MCFC)

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、燃料処理装置を使用せずに天然ガスや工業プロセスやその他の供給源からの低発熱量燃料ガスを直接使用できます。

RCFC の動作は他の燃料電池とは異なります。 これらの電池は、溶融炭酸塩の混合物から作られた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。 炭酸塩を溶かし、電解質内で高度なイオン移動度を達成するために、溶融炭酸塩電解質を使用した燃料電池の動作は次の条件で行われます。 高温(650℃)。 効率は 60 ～ 80% の間で変化します。

650℃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、自由電子を形成します。 これらの電子は外部電気回路を通ってカソードに戻され、副産物として電流と熱が発生します。

アノードでの反応: 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-
元素の一般的な反応: 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、いくつかの利点があります。 高温では天然ガスが内部で改質されるため、燃料処理装置が不要になります。 さらに、次のような利点があります。 標準材質ステンレス鋼シートや電極上のニッケル触媒などの構造。 廃熱は、さまざまな産業および商業目的で高圧蒸気を生成するために使用できます。

電解液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、最適な動作条件を達成するまでにかなりの時間がかかり、エネルギー消費の変化に対するシステムの反応が遅くなります。 これらの特性により、一定の電力条件下で溶融炭酸塩電解質を使用した燃料電池設備の使用が可能になります。 高温により、一酸化炭素による燃料電池の損傷が防止されます。

溶融炭酸塩電解質を備えた燃料電池は、大規模な定置設備での使用に適しています。 発電出力 3.0 MW の火力発電所が商業的に生産されています。 最大 110 MW の出力電力を備えた設備が開発されています。

リン酸燃料電池/セル (PAFC)

リン酸 (オルトリン酸) 酸燃料電池は、商業的に使用された最初の燃料電池です。

リン酸（オルトリン酸）燃料電池は、最大 100% の濃度のオルトリン酸 (H 3 PO 4) をベースとした電解質を使用します。 オルトリン酸のイオン伝導度は低いです。 低温このため、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キャリアは水素 (H+、プロトン) です。 同様のプロセスがプロトン交換膜を備えた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。 プロトンは電解質中を移動し、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を通って送られ、それによって電流が生成されます。 以下に電流と熱が発生する反応を示します。

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 - => 2 H 2 O
元素の一般的な反応: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

リン酸（オルトリン酸）をベースにした燃料電池の電気エネルギー生成効率は 40% 以上です。 熱と電気の生成を組み合わせると、全体の効率は約 85% になります。 さらに、動作温度が指定されている場合、廃熱を使用して水を加熱し、大気圧の蒸気を生成することができます。

熱エネルギーと電気エネルギーを組み合わせて生成するリン酸 (オルトリン酸) 酸ベースの燃料電池を使用する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。 このユニットは濃度約 1.5% の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 は電解質に影響を与えず、このタイプの電池は改質された天然燃料で動作します。 シンプルなデザイン、電解質の揮発性が低いこと、安定性が向上していることも、このタイプの燃料電池の利点です。

最大 500 kW の出力電力を持つ火力発電所が商業的に生産されています。 11 MW の設備は適切なテストに合格しています。 最大 100 MW の出力電力を備えた設備が開発されています。

固体酸化物形燃料電池(SOFC)

固体酸化物型燃料電池は、動作温度が最も高い燃料電池です。 作業温度 600°C から 1000°C まで変化するため、特別なことなくさまざまな種類の燃料を使用できます。 前処理。 このような高温に対処するために、使用される電解質は、セラミックベース上の薄い固体金属酸化物であり、多くの場合、酸素イオン (O2-) の伝導体であるイットリウムとジルコニウムの合金です。

固体電解質は、ある電極から別の電極へのガスの密封された移行を提供し、液体電解質は多孔質基材内に位置します。 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、空気中の酸素分子が酸素イオンと 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て水素と結合し、4 つの自由電子を生成します。 電子は外部電気回路を通って送られ、電流と廃熱が発生します。

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 - => 2O 2-
元素の一般的な反応: 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。 高い動作温度により、熱エネルギーと電気エネルギーを組み合わせて高圧蒸気を生成することができます。 高温燃料電池とタービンを組み合わせることで、電気エネルギーの生成効率を最大 75% 高めるハイブリッド燃料電池を作成することが可能になります。

固体酸化物型燃料電池は非常に高温 (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かなりの時間がかかり、エネルギー消費の変化に対するシステムの応答が遅くなります。 このような高い運転温度では、燃料から水素を回収するためのコンバーターは必要ないため、石炭や廃ガスなどのガス化から生じる比較的不純な燃料を使用して火力発電所を運転することができます。 この燃料電池は、産業用や大規模な中央発電所などの高出力用途にも優れています。 電気出力が 100 kW のモジュールが市販されています。

直接メタノール酸化燃料電池/セル (DOMFC)

メタノールを直接酸化する燃料電池を使用する技術は、現在活発に開発されています。 携帯電話やラップトップへの電力供給、さらにはポータブル電源の作成の分野でも実績を上げています。 これが、これらの要素の将来の使用の目的です。

メタノールを直接酸化する燃料電池の設計は、プロトン交換膜 (MEPFC) を備えた燃料電池と似ています。 ポリマーが電解質として使用され、水素イオン (プロトン) が電荷担体として使用されます。 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し、CO 2、水素イオン、電子を放出し、これらが外部電気回路を通って送られることで電流が発生します。 水素イオンは電解質を通過し、空気中の酸素および外部回路からの電子と反応して、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 -
カソードでの反応: 3/2O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
元素の一般的な反応: 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、用途によりサイズが小さいことです。 液体燃料コンバータを使用する必要はありません。

アルカリ燃料電池/セル (ALFC)

アルカリ燃料電池は発電に使用される電池の中で最も効率が高く、発電効率は最大70%に達します。

アルカリ燃料電池は、多孔質で安定化されたマトリックスに含まれる水酸化カリウムの水溶液である電解質を使用します。 水酸化カリウムの濃度は、燃料電池の動作温度 (65°C ～ 220°C) によって異なります。 SHTE の電荷キャリアはヒドロキシル イオン (OH -) であり、カソードからアノードに移動し、そこで水素と反応して水と電子を生成します。 アノードで生成された水はカソードに戻り、そこで再びヒドロキシルイオンが生成されます。 燃料電池内で起こるこの一連の反応の結果、電気と副産物として熱が生成されます。

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 -
系の一般的な反応: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SHTE 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物質よりも安価な物質であればどれでも使用できるため、これらの燃料電池が最も安価に製造できることです。 SHFC 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。そのため、このような特性により、より高速な発電と、 高効率燃料。

SHTE の特徴の 1 つは、燃料または空気に含まれる可能性のある CO 2 に対する感度が高いことです。 CO 2 は電解質と反応して急速に電解質を毒し、燃料電池の効率を大幅に低下させます。 したがって、SHTE の使用は宇宙船や水中車両などの密閉空間に限定され、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は安全であり、一部の燃料電池では燃料としても機能しますが、SHFC にとっては有害です。

固体高分子型燃料電池 (PEFC)

固体高分子型燃料電池の場合、高分子膜は、水イオン（H2O+（プロトン、赤色）が水分子に結合）が伝導する水領域を備えたポリマー繊維で構成されています。 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。 したがって、燃料と出口電極の両方に高濃度の水が必要であり、動作温度は 100°C に制限されます。

固体酸形燃料電池・セル（SFC）

固体酸燃料電池では、電解質 (CsHSO 4) には水分が含まれません。 したがって、動作温度は 100 ～ 300°C になります。 オキシアニオン SO 4 2- の回転により、プロトン (赤色) が図に示すように移動します。 通常、固体酸型燃料電池は、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たサンドイッチ構造です。 良好な接触。 加熱されると有機成分が蒸発し、電極の細孔から出て、燃料（または素子の他端の酸素）、電解質、電極間の複数の接触能力が維持されます。

各種燃料電池モジュール。 燃料電池バッテリー

1. 燃料電池バッテリー
2. 高温で動作するその他の機器（統合された蒸気発生器、燃焼室、熱バランス変更器）
3. 耐熱断熱材

燃料電池モジュール

燃料電池の種類と種類の比較分析

革新的なエネルギー効率の高い都市熱発電所は通常、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 (PAFC)、固体高分子型燃料電池 (PEMFC)、およびアルカリ型燃料電池に基づいて構築されます (アルフク）。 通常、次のような特徴があります。

最も適しているのは、次のような固体酸化物型燃料電池 (SOFC) です。

• 高温で動作するため、高価な貴金属（プラチナなど）の必要性が軽減されます。
• 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、長期的なアクションに適しています。
• 高い発電効率（最大70％）を発揮
• 動作温度が高いため、ユニットを熱伝達システムと組み合わせることができ、システム全体の効率が 85% になります。
• 実質的に排出量がゼロで、静かに動作し、既存の発電技術と比較して動作要件が低くなります。

燃料電池の種類	作業温度	発電効率	燃料のタイプ	応用分野
RKTE	550～700℃	50-70%		中規模および大規模な設備
FCTE	100～220℃	35-40%	純粋な水素	大規模な設置
モプテ	30～100℃	35-50%	純粋な水素	小規模な設備
SOFC	450～1000℃	45-70%	ほとんどの炭化水素燃料	小規模、中規模、大規模な設備
PEMFC	20～90℃	20-30%	メタノール	ポータブル
SHTE	50～200℃	40-70%	純粋な水素	宇宙研究
ピート	30～100℃	35-50%	純粋な水素	小規模な設備

小型火力発電所は従来のガス供給網に接続できるため、燃料電池には別個の水素供給システムが必要ありません。 固体酸化物型燃料電池をベースにした小型火力発電所を使用する場合、発生した熱を熱交換器に統合して水を加熱したり空気を換気したりすることができ、システム全体の効率が向上します。 この革新的なテクノロジーは、高価なインフラストラクチャや複雑な機器の統合を必要とせずに、効率的に電力を生成するのに最適です。

燃料電池・セルの応用

通信システムにおける燃料電池/電池の応用

世界中での無線通信システムの急速な普及と、携帯電話技術の社会経済的メリットの増大により、信頼性が高くコスト効率の高い電源バックアップの必要性が重要になっています。 電力不足による電力網の損失は年間を通じて発生 気象条件、自然災害、またはネットワーク容量の制限は、ネットワーク オペレーターにとって常に課題となります。

従来の通信電源バックアップ ソリューションには、短期バックアップ電源用のバッテリ (制御弁式鉛蓄電池セル) と、長期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。 バッテリーは、1 ～ 2 時間のバックアップ電源として比較的安価です。 しかし、バッテリーは保守に費用がかかり、長期間使用すると信頼性が低くなり、温度に敏感で、廃棄後は環境に有害であるため、長期のバックアップ電源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、長期的な電力バックアップを提供できます。 しかし、発電機は信頼性が低く、多大な労力を要する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排出する場合があります。

従来の電源バックアップ ソリューションの限界を克服するために、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、バッテリーよりも広い動作温度範囲 (-40°C ～ +50°C) を備えており、その結果、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、このような設備の生涯コストは発電機のコストよりも低くなります。 年に 1 回のメンテナンス訪問だけで燃料電池コストが削減され、プラントの生産性が大幅に向上します。 結局のところ、燃料電池は環境に優しいものです 技術的解決策環境への影響を最小限に抑えます。

燃料電池設備は、250 W ～ 15 kW の範囲で、電気通信システムにおけるワイヤレス、常設、ブロードバンド通信のため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力を提供し、多くの比類のない革新的な機能を提供します。

• 信頼性– 可動部品がほとんどなく、スタンバイモードでは放電がありません
• 省エネ
• 沈黙– 低騒音レベル
• 持続可能性– 動作範囲は-40°C ～ +50°C
• 適応性– 屋外および屋内への設置（コンテナ/保護コンテナ）
• ハイパワー– 最大15kW
• メンテナンスの必要性が低い– 年次メンテナンスを最小限に抑える
• 経済的- 魅力的な総所有コスト
• グリーンエネルギー– 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に重要な負荷をスムーズに受け入れます。 このシステムは水素で動作し、水素は 2 つの方法のいずれかで燃料電池スタックに供給されます。工業用水素源から、または統合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供給されます。

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 電力はコンバータに転送され、燃料電池スタックからの非安定化 DC 電力が、必要な負荷に対応する高品質の安定化 DC 電力に変換されます。 燃料電池設備は、利用可能な水素またはメタノール/水燃料の量によってのみ期間が制限されるため、バックアップ電力を何日間も提供できます。

燃料電池は、高レベルのエネルギー節約、システムの信頼性の向上、より予測可能性を提供します。 パフォーマンス幅広い気候で使用できるほか、業界標準のバルブ制御式鉛蓄電池パックと比較して信頼性の高い動作寿命を実現します。 必要性が大幅に低下するため、生涯コストも低くなります。 メンテナンスそして交換。 鉛蓄電池に関連する廃棄コストと賠償責任リスクへの懸念が高まっているため、燃料電池は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、その他の変数などの幅広い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、予測するのは簡単ではありません。 固体高分子型燃料電池 (PEMFC) の性能は、これらの要因の影響を比較的受けず、燃料が利用可能な限り臨界電力を供給できます。 予測可能性の向上は、 重要な利点重要な電源バックアップ用途で燃料電池に移行する場合。

燃料電池は、ガスタービン発電機と同様に、燃料が供給された場合にのみ発電しますが、発電領域に可動部品はありません。 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。

持続時間延長燃料コンバータの駆動に使用される燃料は、メタノールと水の混合燃料です。 メタノールは広く入手可能な商業的に製造された燃料であり、現在、特にフロントガラスウォッシャー、ペットボトル、エンジン添加剤、エマルションペイントなど、多くの用途に使用されています。 メタノールは輸送が容易で、水と混合でき、生分解性が良く、硫黄を含みません。 凝固点が低く（-71℃）、長期保存でも分解しません。

通信ネットワークにおける燃料電池/電池の応用

セキュリティ通信ネットワークには、一度に数時間または数日間動作できる信頼性の高い電源バックアップ ソリューションが必要です。 緊急事態、送電網が利用できなくなった場合。

可動部品が少なく、待機電力損失がない革新的な燃料電池技術により、 魅力的なソリューション現在存在するバックアップ電源システムと比較して。

通信ネットワークで燃料電池技術を使用することに対する最も説得力のある議論は、全体的な信頼性と安全性が向上することです。 停電、地震、嵐、ハリケーンなどの災害が発生した場合、温度やバックアップ電源システムの使用年数に関係なく、システムが動作し続け、信頼性の高いバックアップ電源が長期間にわたって供給されることが重要です。

燃料電池ベースのパワーデバイスの製品ラインは、機密通信ネットワークのサポートに最適です。 省エネ設計原則のおかげで、250 W ～ 15 kW の電力範囲での使用に対して、環境に優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/電池の応用

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 ネットワークに対する信頼性の高い電源供給は、世界中で非常に重要です。 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、送信される情報に危険をもたらすだけでなく、通常、重大な経済的損失にもつながります。 バックアップ電源を提供する信頼性の高い革新的な燃料電池設備は、無停電電源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を動力源とする燃料電池ユニットは、最長数日間の長期間にわたる信頼性の高いバックアップ電力を提供します。 さらに、これらのユニットは発電機やバッテリーに比べてメンテナンスの必要性が大幅に軽減され、メンテナンスの訪問は年に 1 回だけで済みます。

データ ネットワークで燃料電池設備を使用する場合の一般的なアプリケーション サイトの特性は次のとおりです。

• 消費電力量が100W～15kWのアプリケーション
• に関する要件のあるアプリケーション バッテリー寿命> 4時間
• 光ファイバー システムのリピータ (同期の階層) デジタルシステム、高速インターネット、IP プロトコルを介した音声通信...)
• 高速データ伝送のためのネットワークノード
• WiMAX送信ノード

燃料電池電源のバックアップ設置は、従来のバッテリーまたはディーゼル発電機と比較して、ミッションクリティカルなデータ ネットワーク インフラストラクチャに多くの利点をもたらし、オンサイト展開のオプションを増やすことができます。

1. 液体燃料技術は水素の配置の問題を解決し、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、温度変化への耐性、および実質的に振動のない動作のおかげで、燃料電池は建物の屋外、工業用建物/コンテナ内、または屋上に設置できます。
3. 現場でのシステム利用準備は迅速かつ経済的で、運用コストも低く抑えられます。
4. この燃料は生分解性であり、都市環境に環境に優しいソリューションを提供します。

セキュリティシステムにおける燃料電池/電池の応用

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、それらをサポートする電源によって決まります。 ほとんどのシステムには何らかのバックアップ システムが含まれていますが、 無停電電源装置短期的な停電であれば、自然災害やテロ攻撃の後に発生する可能性のある長期にわたる停電の条件を作り出すことはありません。 これは重大な事態になる可能性があります 重要な課題多くの企業や政府機関向け。

CCTV アクセス監視および制御システム (ID カード リーダー、ドア ロック装置、生体認証技術など)、自動火災警報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、信頼性の高い設備がないとリスクにさらされます。 代替ソース長持ちする電源。

ディーゼル発電機は騒音が大きく、場所を見つけるのが難しく、信頼性とメンテナンスの問題があることがよく知られています。 対照的に、バックアップ電力を提供する燃料電池設備は静かで信頼性が高く、排出ガスがゼロまたは非常に低く、建物の屋上や屋外に簡単に設置できます。 スタンバイモードでは放電したり電力を失ったりしません。 重要なシステムの継続的な稼働を保証します。 重要なシステム、施設が運営を停止し、建物が人々に放棄された後でも。

革新的な燃料電池の設置により、重要な用途への高価な投資が保護されます。 これらは、250 W ～ 15 kW の電力範囲で使用できる環境に優しい信頼性の高いバックアップ電力を長時間 (数日間まで) 提供し、数多くの比類のない機能と、特に高レベルのエネルギー節約を組み合わせています。

燃料電池電源のバックアップ設備は、セキュリティやビル制御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対して、従来のバッテリ駆動またはディーゼル発電機のアプリケーションに比べて多くの利点をもたらします。 液体燃料技術は水素の配置の問題を解決し、事実上無制限のバックアップ電力を提供します。

都市暖房および発電における燃料電池/電池の応用

固体酸化物燃料電池 (SOFC) は、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する、信頼性が高く、エネルギー効率が高く、排出ガスのない火力発電所を提供します。 これらの革新的な設備は、家庭用発電から遠隔電源、補助電源まで、さまざまな市場で使用されています。

配電ネットワークにおける燃料電池/電池の応用

小型火力発電所は、以下から構成される分散型エネルギー生成ネットワークで動作するように設計されています。 多数小さい 発電機セット 1 つの集中型発電所の代わりに。

下の図は、火力発電所で発電され、現在使用されている従来の送電網を介して家庭に送電される場合の発電効率の損失を示しています。 集中型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、および配電損失が含まれます。

図は小型火力発電所を統合した結果で、使用時点で最大60％の発電効率で電気が発電されます。 これに加えて、家庭では燃料電池で発生した熱を水や空間の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。

環境保護のための燃料電池の利用 - 関連する石油ガスの利用

石油産業における最も重要なタスクの 1 つは、関連する石油ガスの利用です。 既存の手法関連石油ガスの利用には多くの欠点がありますが、主な欠点は経済的に実行不可能であることです。 関連する石油ガスが燃焼すると、環境と人間の健康に多大な害を及ぼします。

関連石油ガスを燃料として使用する燃料電池を使用した革新的な火力発電所は、革新的で経済的な発電への道を開きます 収益性の高いソリューション関連する石油ガスの利用に関連する問題。

1. 燃料電池設備の主な利点の 1 つは、さまざまな組成の石油ガスを使用して確実かつ安定して動作できることです。 燃料電池の動作の基礎となる無炎の化学反応により、たとえばメタンの割合が減少しても、それに対応して出力が減少するだけです。
2. 消費者の電気負荷、降下、負荷サージに対する柔軟性。
3. 燃料電池に火力発電所を設置および接続する場合、その導入には資本コストがかかりません。 このユニットは、畑の近くの準備が整っていない場所に簡単に設置でき、使いやすく、信頼性が高く、効率的です。
4. 高度な自動化と最新の遠隔制御により、設置場所に人員が常駐す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により大きな経済的メリットがもたらされます。
6. 水の消費量: +30 °C までの周囲温度ではゼロ、それより高い温度では無視できます。
7. 吐水口：なし。
8. また、燃料電池を使った火力発電所は騒音も振動もありません。 大気中に有害な物質を排出しない

生体内のすべての生化学プロセスのための普遍的なエネルギー源であると同時に、内膜に電位差を生み出します。 しかし、ミトコンドリアのプロトンポンプはタンパク質の性質を持っているため、このプロセスを模倣して工業規模で発電することは困難です。

TE デバイス

燃料電池は、理論的には化学エネルギーから電気エネルギーへの変換率が高い電気化学デバイスです。

燃料と酸化剤の流れの分離原理

通常、低温燃料電池では、アノード側に水素、カソード側に酸素を使用する (水素電池)、またはメタノールと大気中の酸素を使用します。 燃料電池とは異なり、使い捨てのボルタセルおよびバッテリーには消耗品の固体または液体の試薬が含まれており、その質量はバッテリーの体積によって制限されており、電気化学反応が停止すると、新しいものと交換するか、逆の反応を開始するために電気的に再充電する必要があります。化学反応が起こるか、少なくとも使用済みの電極と汚染された電解液を交換する必要があります。 燃料電池では、試薬が流入し、反応生成物が流出します。試薬が流入し、燃料電池自体のコンポーネントの反応性が維持されている限り、反応は進行します。これは、ほとんどの場合、次のような「中毒」によって決定されます。 - 出発物質の純度が不十分な生成物。

水素酸素燃料電池の例

プロトン交換膜（例えば、「ポリマー電解質」）水素酸素燃料電池には、2 つの電極、アノードとカソードを分離するプロトン伝導性ポリマー膜が含まれています。 各電極は通常、触媒（白金または白金族金属の合金および他の組成物）でコーティングされたカーボンプレート（マトリックス）です。

燃料電池はガルバニック電池や充電式電池のように電気エネルギーを蓄えることはできませんが、断続的なエネルギー源（太陽光、風力）を使用して電気システムから隔離されて動作する発電所などの一部の用途では、燃料電池は電解槽、コンプレッサー、燃料貯蔵タンクと組み合わされます（例：燃料電池）。水素シリンダー）はエネルギー貯蔵装置を形成します。

膜

膜は陽子の伝導を許可しますが、電子の伝導は許可しません。 ポリマー (ナフィオン、ポリベンズイミダゾールなど) またはセラミック (酸化物など) にすることができます。 ただし、膜のない燃料電池もあります。

陽極および陰極の材料および触媒

アノードとカソードは通常、高度に発達した炭素表面に白金を堆積させた単なる導電性触媒です。

燃料電池の種類

主な燃料電池の種類

燃料電池の種類	アノードでの反応	電解質	カソードでの反応	温度、℃
アルカリ TE	2H 2 + 4OH − → 2H 2 O + 4e −	KOH溶液	O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH −	200
プロトン交換膜を備えたFC	2H 2 → 4H + + 4e −	プロトン交換膜		80
メタノール TE	2CH 3 OH + 2H 2 O → 2CO 2 + 12H + + 12e −	プロトン交換膜	3O 2 + 12H + + 12e − → 6H 2 O	60
オルトリン酸ベースのFC	2H 2 → 4H + + 4e −	リン酸溶液	O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O	200
溶融炭酸塩を利用した燃料電池	2H 2 + 2CO 3 2− → 2H 2 O + 2CO 2 + 4e −	溶融炭酸塩	O 2 + 2CO 2 + 4e − → 2CO 3 2−	650
固体 酸化物 TE	2H 2 + 2O 2 − → 2H 2 O + 4e −	酸化物の混合物	O 2 + 4e − → 2O 2 −	1000

空気アルミニウム電気化学発電機

アルミニウム空気電気化学発電機は、空気中の酸素によるアルミニウムの酸化を利用して電気を生成します。 その中での電流生成反応は次のように表すことができます。

4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O ⟶ 4 Al (OH) 3 , (\displaystyle (\ce (4 Al + 3 O_2 + 6 H_2O -> 4 Al(OH)_3,))) E = 2.71 V , (\displaystyle \quad E=2.71~(\text(V)),)

腐食反応はどのように起こるか

2 Al + 6 H 2 O ⟶ 2 Al (OH) 3 + 3 H 2 ⋅ (\displaystyle (\ce (2 Al + 6 H_2O -> 2 Al(OH)_3 + 3 H_2.)))

空気アルミニウム電気化学発電機の重大な利点は、高い (最大 50%) 効率、有害な排出物がないこと、メンテナンスが容易であることです。

長所と短所

水素燃料電池のメリット

コンパクトな寸法

燃料電池は従来の電源に比べて軽量かつ小型です。 燃料電池は騒音も少なく、発熱も少なく、燃料消費の点でより効率的です。 これは特に軍事用途に関連します。 たとえば、米陸軍兵士は 22 種類の異なる電池を携帯しています。 [ ] 平均バッテリー電力は 20 ワットです。 燃料電池の使用により、物流コストが削減され、重量が軽減され、機器や設備の寿命が延長されます。

燃料電池の問題

輸送分野への燃料電池の導入は、水素インフラの不足によって妨げられています。 「鶏が先か、卵が先か」の問題があります。インフラがないのに、なぜ水素自動車を生産するのでしょうか? 水素輸送がないのに、なぜ水素インフラを構築するのでしょうか?

ほとんどの要素は動作中にある程度の熱を放出します。 これには複雑なものを作成する必要があります 技術的な装置熱回収用（ 蒸気タービンなど）、燃料と酸化剤の流れの構成、パワーテイクオフ制御システム、膜の耐久性、燃料酸化の特定の副産物による触媒の被毒、およびその他のタスクも含まれます。 しかし同時に、プロセスの高温により熱エネルギーの生成が可能になり、発電所の効率が大幅に向上します。

触媒被毒と膜の耐久性の問題は、酵素触媒の再生という自己修復機構を備えた要素を作成することで解決されます。 ] .

燃料電池は、化学反応速度が遅いため、重大な[ ］慣性を考慮し、ピークまたはパルス負荷の条件下で動作させるには、一定の電力予備または他の技術的ソリューション（スーパーキャパシタ、バッテリー）の使用が必要です。

水素の入手と貯蔵にも問題があります。 第一に、触媒の急速な汚染が起こらないように十分に清浄でなければならず、第二に、そのコストがエンドユーザーにとって有益であるように十分に安価でなければならない。

シンプルなものから 化学元素水素と炭素は両極端です。 水素が最も大きい 比熱燃焼しますが、密度は非常に低く、化学的活性は高くなります。 炭素は固体元素の中で最も高い燃焼比熱を持ち、密度はかなり高いですが、活性化エネルギーによる化学活性は低いです。 黄金比は、炭水化物 (砂糖) またはその誘導体 (エタノール) または炭化水素 (液体および固体) です。 放出された二酸化炭素は、最大許容濃度を超えずに、地球の一般的な呼吸サイクルに参加しなければなりません。

水素を製造するには多くの方法がありますが、現在、世界中で製造される水素の約 50% は天然ガスから得られます。 他のすべての方法は依然として非常に高価です。 一次エネルギーキャリアのバランスが一定であり、大量燃料としての水素需要の増大と消費者の汚染に対する抵抗力の発達により、まさにこのシェアとそれを可能にするインフラストラクチャの開発により、生産の伸びが増加することは明らかです。それが利用可能になると、より高価な (ただし状況によってはより便利な) 方法は廃れるでしょう。 水素が二次エネルギー媒体として関与する他の方法では、必然的にその役割が燃料から一種の化学電池に平準化されます。 エネルギー価格が上昇すると、必然的に水素のコストも上昇するという意見があります。 しかし、再生可能資源から生産されるエネルギーのコストは常に低下しています (風力エネルギー、水素生産を参照)。 たとえば、米国の平均電力価格は 1 kWh あたり 0.09 ドルに上昇しましたが、風力発電の電力コストは 0.04 ～ 0.07 ドルです (風力エネルギーまたは AWEA を参照)。 日本では、1 キロワット時の電気料金は約 0.2 ドルで、これは太陽電池で生成される電気料金に匹敵します。 いくつかの有望な地域の領土が遠隔であることを考慮すると（たとえば、アフリカから太陽光発電所で発電された電気を直接電線で輸送することは、この点で膨大なエネルギー潜在力があるにもかかわらず、明らかに無駄です）、「化学電池」としての水素の運用さえも、かなり儲かる可能性があります。 2010 年のデータによると、火力発電や発電によって生成されるエネルギーと競争力を持つためには、水素燃料電池のエネルギーコストは 8 分の 1 に下げる必要があります。 原子力発電所.

残念なことに、天然ガスから生成される水素には、触媒を汚染する CO と硫化水素が含まれています。 したがって、触媒被毒を軽減するには、燃料電池の温度を高める必要がある。 160 °C の温度ではすでに 1% の CO が燃料中に存在している可能性があります。

白金触媒を備えた燃料電池の欠点には、白金のコストが高いこと、上記の不純物から水素を精製することが困難であり、その結果、ガスのコストが高くなる点、および白金の被毒による元素の資源が限られていることが含まれる。不純物による触媒。 また、触媒用のプラチナは再生不可能な資源です。 その埋蔵量は、15〜20年間の元素の生産に十分であると考えられています。

酵素は白金触媒の代替品として研究されています。 酵素は再生可能な材料であり、安価であり、安価な燃料に含まれる主な不純物によって汚染されることはありません。 それらには特有の利点があります。 酵素はCOや硫化水素に対して非感受性であるため、二酸化炭素や硫化水素から水素を得ることが可能になりました。 生物源たとえば、有機廃棄物の変換中などです。

話

最初の発見

燃料電池の動作原理は、1839 年に英国の科学者 W. グローブによって発見されました。彼は、電気分解プロセスが可逆的であること、つまり、水素と酸素は燃焼せずに結合して水分子になることができますが、熱と熱の放出を伴うことを発見しました。電気。 科学者は、この反応を実行できる自分の装置を「ガス電池」と呼び、これが最初の燃料電池でした。 しかし、その後 100 年間、このアイデアは実用化されませんでした。

1937 年、F. ベーコン教授は燃料電池の研究を開始しました。 1950 年代後半までに、彼は 5 kW の出力を持つ 40 個の燃料電池からなるバッテリーを開発しました。 このようなバッテリーは、溶接機やフォークリフトにエネルギーを供給するために使用できます。 バッテリーは 200℃ 以上の高温と 20 ～ 40 bar の圧力で動作しました。 それに、彼女はかなり巨大でした。

ソ連とロシアにおける研究の歴史

最初の研究は 1930 年代に始まりました。 RSC Energia (1966 年以降) は、ソ連の月計画のために PAFC 要素を開発しました。 1987 年から 1987 年にかけて、Energia は約 100 個の燃料電池を生産し、合計約 80,000 時間稼働しました。

ブラン計画の作業中に、アルカリ性 AFC 元素が研究されました。 ブランには 10 kW の燃料電池が搭載されました。

1989 年、高温電気化学研究所 (エカテリンブルク) は、出力 1 kW の最初の SOFC 設備を製造しました。

1999 年に、AvtoVAZ は燃料電池の研究を開始しました。 2003 年までに、VAZ-2131 車に基づいていくつかのプロトタイプが作成されました。 燃料電池は車のエンジンルームに設置され、圧縮水素の入ったタンクは荷物室に設置されていました。 古典的なスキームパワーユニットと燃料タンクの位置。 水素自動車の開発は技術科学候補者G.K.ミルゾエフが主導した。

2003 年 11 月 10 日、ロシア科学アカデミーとノリリスク ニッケル会社の間で、水素エネルギーと燃料電池の分野における協力に関する一般協定が締結されました。 これにより、2005 年 5 月 4 日に国家連合が設立されました。 革新的な企業「ニュー・エネルギー・プロジェクト」（NIK NEP）は、2006 年に容量 1 kW の固体高分子電解質を備えた燃料電池をベースとしたバックアップ発電所を製造しました。 MFD-InfoCenter通信社によると、MMCノリリスク・ニッケルは、非中核資産や不採算資産を処分するという2009年初めに発表された決定の一環として、ニュー・エナジー・プロジェクト社を清算する予定であるという。

2008 年に InEnergy 社が設立され、電気化学技術と電源システムの分野の研究開発業務に従事しています。 研究結果に基づいて、ロシア科学アカデミーの主要機関（IPCP、ISTT、IHTT）と協力して、多くのパイロットプロジェクトが実施され、高い効率性が示されました。 MTS 会社のために作成され、運用されました。 モジュラーシステム水素空気燃料電池をベースとしたバックアップ電源で、燃料電池、制御システム、蓄電装置、コンバータから構成されます。 システム電力は最大 10 kW。

水素空気エネルギー システムには、外部環境の広い動作温度範囲 (-40 ～ +60C) など、否定できない利点が数多くあります。 高効率(最大60%)、騒音や振動がないこと、 ファストスタート、コンパクトさと環境への優しさ（「排気」による水）。

水素空気システムの総所有コストは、従来の電気化学電池よりも大幅に低くなります。 さらに、機構の可動部分がないため最高の耐障害性があり、メンテナンスが不要で、耐用年数は 15 年に達し、従来の電気化学電池を最大 5 倍上回ります。

ガスプロムとロシア連邦の連邦原子力センターは、燃料電池発電所のプロトタイプの作成に取り組んでいる。 現在、開発が盛んに進められている固体酸化物型燃料電池は、2016年以降に登場する見込みだ。

燃料電池の応用

燃料電池は当初は以下の分野でのみ使用されていました。 宇宙産業ただし、現在、その適用範囲は拡大し続けています。 これらは、定置型発電所、建物への自律的な熱源および電力供給源として、エンジン内で使用されます。 車両、ラップトップや携帯電話の電源として。 これらのデバイスの中には、まだ研究室の壁を離れていないものもあれば、すでに市販されており、長期間使用されているものもあります。

燃料電池の応用例

応用分野	力	使用例
定置型設備	5～250kW以上	住宅、公共、産業用建物向けの自律型熱源および電力供給源、無停電電源装置、バックアップおよび非常用電源供給源
ポータブル設置	1～50kW	道路標識、貨物および冷蔵鉄道トラック、車椅子、ゴルフカート、宇宙船および人工衛星
輸送	25～150kW	自動車およびその他の乗り物、軍艦および潜水艦
ポータブルデバイス	1～500W	携帯電話、ラップトップ、PDA、さまざまな家庭用電子機器、現代の軍事機器

燃料電池をベースとした高出力発電所が広く使用されています。 基本的に、このような設備は、溶融炭酸塩、リン酸、固体酸化物をベースとした要素に基づいて動作します。 原則として、このような設備は発電だけでなく熱の発生にも使用されます。

高温燃料電池とガスタービンを組み合わせたハイブリッドプラントの開発に多くの努力が払われています。 ガスタービンの改良により、このような設備の効率は 74.6% に達する可能性があります。

燃料電池をベースとした低出力ユニットも積極的に生産されています。

燃料電池の製造・使用分野における技術規制

2004 年 8 月 19 日、国際電気標準会議 (IEC) は最初の国際規格、IEC 62282–2「燃料電池技術」を発行しました。 パート 2、燃料電池モジュール。」 これは、燃料電池技術技術委員会 (TC/IEC 105) によって開発された IEC 62282 シリーズの最初の規格です。 技術委員会 TC/IEC 105 には、17 か国の常任代表と 15 か国のオブザーバーが含まれています。

TC/IEC 105 は、燃料電池発電所の標準化に関連する幅広いトピックをカバーする、IEC 62282 シリーズの 14 の国際規格を開発および発行しました。 ロシア連邦技術規制計量庁 (ROSSTANDART) は、オブザーバーとして技術委員会 TC/IEC 105 の共同メンバーです。 ロシア連邦側の IEC との調整活動は RosMEK (ロスタンダート) 事務局によって行われ、IEC 標準の実装に関する作業は国家標準化技術委員会 TC 029「水素技術」によって行われます。全国水素エネルギー協会 (NAVE) および KVT LLC。 現在、ROSSTANDART は以下の国内および州間の標準を採用しています。 国際規格 IEC。

燃料電池ガルバニ電池に似た電気化学デバイスですが、ガルバニ電池やバッテリに蓄えられるエネルギー量が限られているのとは対照的に、電気化学反応のための物質が外部から供給される点で異なります。

米。 1. 一部の燃料電池

燃料電池は燃料の化学エネルギーを電気に変換し、大きな損失を伴う非効率的な燃焼プロセスを回避します。 化学反応を通じて水素と酸素を電気に変換します。 このプロセスの結果、水が形成され、大量の熱が放出されます。 燃料電池は、充電して蓄えた電気エネルギーを使用できるバッテリーに非常に似ています。 燃料電池の発明者は、1839 年に発明したウィリアム R. グローブであると考えられています。 この燃料電池は、電解質として硫酸溶液を使用し、燃料として水素を使用し、酸化剤中の酸素と結合させた。 最近まで、燃料電池は実験室や宇宙船でのみ使用されていました。

米。 2.

ガス、石炭、重油などを動力源とする内燃エンジンやタービンなどの他の発電機とは異なり、燃料電池は燃料を燃やしません。 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。 燃料電池は、静かな電気化学反応を通じて電気を生成します。 燃料電池のもう 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生成しません。 燃料電池からの排出物は、蒸気の形の水と少量の二酸化炭素だけです。純粋な水素を燃料として使用した場合、二酸化炭素はまったく放出されません。 燃料電池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。

燃料電池には可動部品がないため (少なくともセル自体には)、カルノーの法則に従いません。 つまり、効率が 50% を超え、低負荷時に特に効果的です。 したがって、燃料電池車は、実際の運転条件では従来の車よりも燃費が良くなる可能性があります (そしてすでに証明されています)。

燃料電池は電流を生成します 直流電圧、電気モーター、照明システムデバイスなどの駆動に使用できます。 電気システム車の中で。

燃料電池には、使用される化学プロセスが異なるいくつかの種類があります。 燃料電池は通常、使用する電解質の種類によって分類されます。

燃料電池の種類によっては発電所の推進に有望なものもあれば、携帯機器や自動車の駆動に有望なものもあります。

1. アルカリ燃料電池（ALFC）

アルカリ燃料電池- これは最初に開発された要素の 1 つです。 アルカリ燃料電池 (AFC) は、最も研究されている技術の 1 つで、20 世紀の 60 年代半ばから NASA によってアポロ計画やスペースシャトル計画で使用されてきました。 これらの船内では 宇宙船燃料電池は電気エネルギーを生成し、 水を飲んでいる.

米。 3.

アルカリ燃料電池は発電に使用される電池の中で最も効率が高く、発電効率は最大70%に達します。

アルカリ燃料電池は、多孔質で安定化されたマトリックスに含まれる水酸化カリウムの水溶液である電解質を使用します。 水酸化カリウムの濃度は、燃料電池の動作温度 (65°C ～ 220°C) によって異なります。 SHTE の電荷キャリアはヒドロキシル イオン (OH-) で、カソードからアノードに移動し、そこで水素と反応して水と電子を生成します。 アノードで生成された水はカソードに戻り、そこで再びヒドロキシルイオンが生成されます。 燃料電池内で起こるこの一連の反応の結果、電気と副産物として熱が生成されます。

アノードでの反応: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

カソードでの反応: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

システムの一般的な反応: 2H2 + O2 => 2H2O

SHTE 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物質よりも安価な物質であればどれでも使用できるため、これらの燃料電池が最も安価に製造できることです。 さらに、SHTE は比較的低温で動作し、最も効率的です。

SHTE の特徴の 1 つは、燃料または空気に含まれる CO2 に対する感度が高いことです。 CO2 は電解質と反応して急速に電解質を毒し、燃料電池の効率を大幅に低下させます。 したがって、SHTE の使用は、純粋な水素と酸素で動作する宇宙船や水中車両などの密閉空間に限定されます。

2. 溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）

溶融炭酸塩電解質を使用した燃料電池高温燃料電池です。 動作温度が高いため、燃料処理装置を使用せずに天然ガスや工業プロセスやその他の供給源からの低発熱量燃料ガスを直接使用できます。 このプロセスは、20 世紀の 60 年代半ばに開発されました。 それ以来、生産技術、性能、信頼性が向上してきました。

米。 4.

RCFC の動作は他の燃料電池とは異なります。 これらの電池は、溶融炭酸塩の混合物から作られた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。 炭酸塩を溶かし、電解質内で高度なイオン移動度を実現するために、溶融炭酸塩電解質を使用した燃料電池は高温 (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 (CO32-) 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、自由電子を形成します。 これらの電子は外部電気回路を通ってカソードに戻され、副産物として電流と熱が発生します。

アノードでの反応: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

カソードでの反応: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

元素の一般的な反応: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(陰極) => H2O(g) + CO2(陽極)

溶融炭酸塩電解質燃料電池の高い動作温度には、いくつかの利点があります。 利点は、標準的な材料 (ステンレス鋼シートと電極上のニッケル触媒) を使用できることです。 廃熱を利用して高圧蒸気を生成できます。 電解液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、最適な動作条件を達成するまでに長い時間がかかり、エネルギー消費の変化に対するシステムの反応が遅くなります。 これらの特性により、一定の電力条件下で溶融炭酸塩電解質を使用した燃料電池設備の使用が可能になります。 高温により、一酸化炭素や「中毒」などによる燃料電池の損傷が防止されます。

溶融炭酸塩電解質を備えた燃料電池は、大規模な定置設備での使用に適しています。 電気出力 2.8 MW の火力発電所が商業的に生産されています。 最大 100 MW の出力電力を備えた設備が開発されています。

3. リン酸型燃料電池（PAFC）

リン酸（オルトリン酸）をベースにした燃料電池初の商業用燃料電池となった。 このプロセスは 20 世紀の 60 年代半ばに開発され、20 世紀の 70 年代からテストが行​​われてきました。 その結果、安定性とパフォーマンスが向上し、コストが削減されました。

米。 5.

リン酸（オルトリン酸）燃料電池は、最大 100% の濃度のオルトリン酸 (H3PO4) をベースとした電解質を使用します。 リン酸は低温ではイオン伝導率が低いため、燃料電池は150～220℃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キャリアは水素 (H+、プロトン) です。 同様のプロセスが固体高分子型燃料電池 (PEMFC) でも発生し、アノードに供給された水素が陽子と電子に分割されます。 プロトンは電解質中を移動し、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を通って送られ、それによって電流が生成されます。 以下に電流と熱が発生する反応を示します。

アノードでの反応: 2H2 => 4H+ + 4e

カソードでの反応: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

元素の一般的な反応: 2H2 + O2 => 2H2O

リン酸（オルトリン酸）をベースにした燃料電池の電気エネルギー生成効率は 40% 以上です。 熱と電気の生成を組み合わせると、全体の効率は約 85% になります。 さらに、動作温度が指定されている場合、廃熱を使用して水を加熱し、大気圧の蒸気を生成することができます。

熱エネルギーと電気エネルギーを組み合わせて生成するリン酸 (オルトリン酸) 酸ベースの燃料電池を使用する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。 このユニットは濃度約 1.5% の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。 シンプルな設計、電解質の揮発性の低さ、安定性の向上も、このような燃料電池の利点です。

最大 400 kW の出力電力を持つ火力発電所が商業的に生産されています。 11 MW の容量を持つ設備は、適切なテストに合格しています。 最大 100 MW の出力電力を備えた設備が開発されています。

4. 固体高分子型燃料電池（PEMFC）

固体高分子型燃料電池最も考えられている 最高のタイプ燃料電池は車両用の電力を生成し、ガソリンおよびディーゼル内燃エンジンを置き換えることができます。 これらの燃料電池は、NASA によってジェミニ計画で初めて使用されました。 1 W ～ 2 kW の電力を備えた MOPFC に基づく設備が開発され、実証されています。

米。 6.

これらの燃料電池の電解質は固体高分子膜 (プラスチックの薄膜) です。 水で飽和すると、このポリマーはプロトンを通過させますが、電子は伝導しません。

燃料は水素であり、電荷担体は水素イオン（プロトン）です。 アノードでは、水素分子が水素イオン (陽子) と電子に分割されます。 水素イオンは電解質を通過してカソードに到達し、電子が外側の円の周りを移動して電気エネルギーを生成します。 空気から取り込まれた酸素がカソードに供給され、電子および水素イオンと結合して水が形成されます。 電極では次の反応が起こります。 アノードでの反応: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e カソードでの反応: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH 電池全体の反応: 2H2 + O2 => 2H2O燃料電池、プロトン交換膜を備えた燃料電池は、燃料電池の所定の体積または重量に対してより多くのエネルギーを生成します。 この特徴により、小型軽量化が可能になります。 また、動作温度が100℃以下なので、素早く動作を開始できます。 これらの特性と、エネルギー出力を迅速に変更する能力は、これらの燃料電池を車両で使用するための主要な候補にするほんの一部です。

もう 1 つの利点は、電解質が液体ではなく固体であることです。 固体電解質を使用すると、カソードとアノードにガスを保持しやすくなるため、このような燃料電池の製造コストが安くなります。 固体電解質を使用すると、配向の問題がなく、腐食の問題も少なくなるため、セルとそのコンポーネントの寿命が長くなります。

米。 7。

5. 固体酸化物形燃料電池（SOFC）

固体酸化物形燃料電池は最高動作温度の燃料電池です。 動作温度は 600°C から 1000°C まで変化するため、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。 このような高温に対処するために、使用される電解質は、セラミックベース上の薄い固体金属酸化物であり、多くの場合、酸素イオン (O2-) の伝導体であるイットリウムとジルコニウムの合金です。 固体酸化物型燃料電池を使用する技術は、20 世紀の 50 年代後半から開発されており、平面型と管型の 2 つの構成があります。

固体電解質は、ある電極から別の電極へのガスの密封された移行を提供し、液体電解質は多孔質基材内に位置します。 このタイプの燃料電池の電荷担体は酸素イオン (O2-) です。 カソードでは、空気中の酸素分子が酸素イオンと 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て水素と結合し、4 つの自由電子を生成します。 電子は外部電気回路を通って送られ、電流と廃熱が発生します。

米。 8.

アノードでの反応: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

カソードでの反応: O2 + 4e- => 2O2-

元素の一般的な反応: 2H2 + O2 => 2H2O

電気エネルギー生成効率はすべての燃料電池の中で最も高く、約 60% です。 さらに、動作温度が高いため、熱エネルギーと電気エネルギーを組み合わせて高圧蒸気を生成することができます。 高温燃料電池とタービンを組み合わせることで、電気エネルギーの生成効率を最大 70% 高めるハイブリッド燃料電池を作成することが可能になります。

固体酸化物型燃料電池は非常に高温 (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かなりの時間を要し、エネルギー消費の変化に対するシステムの応答が遅くなります。 このような高い運転温度では、燃料から水素を回収するためのコンバーターは必要ないため、石炭や廃ガスなどのガス化から生じる比較的不純な燃料を使用して火力発電所を運転することができます。 この燃料電池は、産業用や大規模な中央発電所などの高出力用途にも優れています。 電気出力が 100 kW のモジュールが市販されています。

6. 直接メタノール酸化型燃料電池（DOMFC）

直接メタノール酸化型燃料電池これらは、携帯電話やラップトップへの電力供給の分野で成功を収めているだけでなく、ポータブル電源の作成にも使用されており、これがそのような要素の将来の使用の目的です。

メタノールを直接酸化する燃料電池の設計は、プロトン交換膜 (MEPFC) を備えた燃料電池の設計と似ています。 ポリマーが電解質として使用され、水素イオン (プロトン) が電荷担体として使用されます。 しかし、液体メタノール (CH3OH) はアノードで水の存在下で酸化し、CO2、水素イオン、電子を放出し、これらが外部電気回路を通って送られることで電流が発生します。 水素イオンは電解質を通過し、空気中の酸素および外部回路からの電子と反応して、アノードで水を形成します。

アノードでの反応：CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e カソードでの反応：3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O 元素の一般的な反応：CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O燃料電池は 20 世紀の 90 年代初頭から実用化されており、その比出力と効率は 40% まで増加しました。

これらの要素は 50 ～ 120°C の温度範囲でテストされました。 このような燃料電池は動作温度が低く、コンバーターが不要なため、両方の用途に最適な候補です。 携帯電話自動車のエンジンだけでなく、その他の消費財にも使用されています。 サイズが小さいことも利点です。

7. 固体高分子形燃料電池（PEFC）

固体高分子形燃料電池の場合、高分子膜は、伝導水イオン H2O+ (プロトン、赤色) が水分子に結合する水領域を備えたポリマー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。 したがって、燃料と出口電極の両方に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。

8. 固体酸型燃料電池（SFC）

固体酸燃料電池では、電解質 (CsHSO4) には水分が含まれません。 したがって、動作温度は 100 ～ 300°C になります。 SO42 オキシアニオンの回転により、プロトン (赤色) が図に示すように移動します。 通常、固体酸型燃料電池は、固体酸化合物の非常に薄い層が、良好な接触を確保するためにしっかりと押し付けられた 2 つの電極の間に挟まれたサンドイッチ構造です。 加熱されると有機成分が蒸発し、電極の細孔から出て、燃料（または素子の他端の酸素）、電解質、電極間の複数の接触能力が維持されます。

米。 9.

9. 燃料電池の最も重要な特性の比較

燃料電池の特徴

燃料電池の種類	動作温度	発電効率	燃料のタイプ	適用範囲
				中規模および大規模な設備
			純粋な水素	インスタレーション
			純粋な水素	小規模な設備
			ほとんどの炭化水素燃料	小規模、中規模、大規模な設備
				ポータブル インスタレーション
			純粋な水素	空間 調べた
			純粋な水素	小規模な設備

米。 10.

10. 自動車における燃料電池の使用

米。 十一。

米。 12.

知識のエコロジー 科学と技術: 水素エネルギーは最も効率の高い産業の 1 つであり、燃料電池のおかげで革新的な技術の最前線にあり続けることができます。

燃料電池は、電気化学反応を通じて水素を豊富に含む燃料から直流電流と熱を効率的に生成する装置です。

燃料電池は、化学反応を通じ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。 繰り返しになりますが、電池と同様に、燃料電池にはアノード、カソード、および電解質が含まれています。 ただし、バッテリーとは異なり、燃料電池は電気エネルギーを蓄えることができず、放電したり、再充電するために電気を必要としたりしません。 燃料電池は、燃料と空気が供給されている限り、継続的に電気を生成できます。 燃料電池が適切に機能するにはいくつかの補助システムが必要であるため、機能する燃料電池を表す正しい用語はセルのシステムです。

ガス、石炭、重油などを動力源とする内燃エンジンやタービンなどの他の発電機とは異なり、燃料電池は燃料を燃やしません。 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。 燃料電池は、静かな電気化学反応を通じて電気を生成します。 燃料電池のもう 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生成しません。 燃料電池からの排出物は、蒸気の形の水と少量の二酸化炭素だけです。純粋な水素を燃料として使用した場合、二酸化炭素はまったく放出されません。 燃料電池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。

燃料電池の動作原理

燃料電池は、電解質、カソード、アノードを使用した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、酸素がカソードに流れた後、化学反応が始まり、その結果、電流、熱、水が生成されます。 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、電子は電解質を通って外部電気回路を通過し、機器に電力を供給するために使用できる直流を生成します。 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て、唯一の反応生成物 (蒸気および/または液体の形態) である水を形成します。

以下は対応する反応です。

アノードでの反応: 2H2 => 4H+ + 4e-
カソードでの反応: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
元素の一般的な反応: 2H2 + O2 => 2H2O

燃料電池の種類

内燃エンジンにさまざまな種類があるのと同様に、燃料電池にもさまざまな種類があり、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。燃料電池は高温用と低温用に分けられます。 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。 このプロセスでは追加のエネルギーが消費され、特別な装置が必要になります。 高温燃料電池では、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、水素インフラに投資する必要がありません。

溶融炭酸塩燃料電池 (MCFC)。

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、燃料処理装置を使用せずに天然ガスや工業プロセスやその他の供給源からの低発熱量燃料ガスを直接使用できます。 このプロセスは 1960 年代半ばに開発されました。 それ以来、生産技術、性能、信頼性が向上してきました。

RCFC の動作は他の燃料電池とは異なります。 これらの電池は、溶融炭酸塩の混合物から作られた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。 炭酸塩を溶かし、電解質内で高度なイオン移動度を実現するために、溶融炭酸塩電解質を使用した燃料電池は高温 (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 (CO32-) 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、自由電子を形成します。 これらの電子は外部電気回路を通ってカソードに戻され、副産物として電流と熱が発生します。

アノードでの反応: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
カソードでの反応: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
元素の一般的な反応: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(陰極) => H2O(g) + CO2(陽極)

溶融炭酸塩電解質燃料電池の高い動作温度には、いくつかの利点があります。 高温では天然ガスが内部で改質されるため、燃料処理装置が不要になります。 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造材料を使用できるという利点もあります。 廃熱は、さまざまな産業および商業目的で高圧蒸気を生成するために使用できます。

電解液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、最適な動作条件を達成するまでにかなりの時間がかかり、エネルギー消費の変化に対するシステムの反応が遅くなります。 これらの特性により、一定の電力条件下で溶融炭酸塩電解質を使用した燃料電池設備の使用が可能になります。 高温により、一酸化炭素や「中毒」などによる燃料電池の損傷が防止されます。

溶融炭酸塩電解質を備えた燃料電池は、大規模な定置設備での使用に適しています。 電気出力 2.8 MW の火力発電所が商業的に生産されています。 最大 100 MW の出力電力を備えた設備が開発されています。

リン酸燃料電池 (PAFC)。

リン酸 (オルトリン酸) 酸燃料電池は、商業的に使用された最初の燃料電池です。 このプロセスは 1960 年代半ばに開発され、1970 年代からテストされてきました。 それ以来、安定性とパフォーマンスが向上し、コストが削減されました。

リン酸（オルトリン酸）燃料電池は、最大 100% の濃度のオルトリン酸 (H3PO4) をベースとした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キャリアは水素 (H+、プロトン) です。 同様のプロセスが固体高分子型燃料電池 (PEMFC) でも発生し、アノードに供給された水素が陽子と電子に分割されます。 プロトンは電解質中を移動し、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を通って送られ、それによって電流が生成されます。 以下に電流と熱が発生する反応を示します。

アノードでの反応: 2H2 => 4H+ + 4e-
カソードでの反応: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
元素の一般的な反応: 2H2 + O2 => 2H2O

リン酸（オルトリン酸）をベースにした燃料電池の電気エネルギー生成効率は 40% 以上です。 熱と電気の生成を組み合わせると、全体の効率は約 85% になります。 さらに、動作温度が指定されている場合、廃熱を使用して水を加熱し、大気圧の蒸気を生成することができます。

熱エネルギーと電気エネルギーを組み合わせて生成するリン酸 (オルトリン酸) 酸ベースの燃料電池を使用する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。 このユニットは濃度約 1.5% の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、CO2 は電解質に影響を与えず、このタイプの電池は改質された天然燃料で動作します。 シンプルな設計、電解質の揮発性の低さ、安定性の向上も、このタイプの燃料電池の利点です。

最大 400 kW の出力電力を持つ火力発電所が商業的に生産されています。 11 MW の設備は適切なテストに合格しています。 最大 100 MW の出力電力を備えた設備が開発されています。

固体高分子型燃料電池 (PEMFC)

プロトン交換膜燃料電池は、車両の動力を生成するための最良のタイプの燃料電池と考えられており、ガソリンおよびディーゼル内燃エンジンを置き換えることができます。 これらの燃料電池は、NASA によってジェミニ計画で初めて使用されました。 現在、1 W ～ 2 kW の出力を備えた MOPFC 設備が開発され、実証されています。

これらの燃料電池は、固体高分子膜（プラスチックの薄膜）を電解質として使用します。 水で飽和すると、このポリマーはプロトンを通過させますが、電子は伝導しません。

燃料は水素であり、電荷担体は水素イオン（プロトン）です。 アノードでは、水素分子が水素イオン (陽子) と電子に分割されます。 水素イオンは電解質を通過してカソードに到達し、電子が外側の円の周りを移動して電気エネルギーを生成します。 空気から取り込まれた酸素がカソードに供給され、電子および水素イオンと結合して水が形成されます。 電極では次の反応が発生します。

アノードでの反応: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
カソードでの反応: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
元素の一般的な反応: 2H2 + O2 => 2H2O

他のタイプの燃料電池と比較して、プロトン交換膜燃料電池は、所定の燃料電池体積または重量に対してより多くのエネルギーを生成します。 この特徴により、小型軽量化が可能になります。 また、動作温度が100℃未満なので、すぐに動作を開始できます。 これらの特性と、エネルギー出力を迅速に変更する能力は、これらの燃料電池を車両で使用するための主要な候補にする特徴の一部にすぎません。

もう 1 つの利点は、電解質が液体ではなく固体であることです。 固体電解質を使用すると、カソードとアノードにガスを保持しやすくなるため、そのような燃料電池の製造コストが安くなります。 他の電解質と比較して、固体電解質は配向の問題を引き起こさず、腐食の問題も少ないため、セルとそのコンポーネントの寿命が長くなります。

固体酸化物形燃料電池（SOFC）

固体酸化物型燃料電池は、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 まで変化するため、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。 このような高温に対処するために、使用される電解質は、セラミックベース上の薄い固体金属酸化物であり、多くの場合、酸素イオン (O2-) の伝導体であるイットリウムとジルコニウムの合金です。 固体酸化物型燃料電池技術は、1950 年代後半から開発されてきました。 フラットとチューブラーの 2 つの構成があります。

固体電解質は、ある電極から別の電極へのガスの密封された移行を提供し、液体電解質は多孔質基材内に位置します。 このタイプの燃料電池の電荷担体は酸素イオン (O2-) です。 カソードでは、空気中の酸素分子が酸素イオンと 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て水素と結合し、4 つの自由電子を生成します。 電子は外部電気回路を通って送られ、電流と廃熱が発生します。

アノードでの反応: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
カソードでの反応: O2 + 4e- => 2O2-
元素の一般的な反応: 2H2 + O2 => 2H2O

生成される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% です。 さらに、動作温度が高いため、熱エネルギーと電気エネルギーを組み合わせて高圧蒸気を生成することができます。 高温燃料電池とタービンを組み合わせることで、電気エネルギーの生成効率を最大 70% 高めるハイブリッド燃料電池を作成することが可能になります。

固体酸化物型燃料電池は非常に高温 (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かなりの時間がかかり、エネルギー消費の変化に対するシステムの応答が遅くなります。 このような高い運転温度では、燃料から水素を回収するためのコンバーターは必要ないため、石炭や廃ガスなどのガス化から生じる比較的不純な燃料を使用して火力発電所を運転することができます。 この燃料電池は、産業用や大規模な中央発電所などの高出力用途にも優れています。 電気出力が 100 kW のモジュールが市販されています。

直接メタノール酸化型燃料電池（DOMFC）

メタノールを直接酸化する燃料電池を使用する技術は、現在活発に開発されています。 携帯電話やラップトップへの電力供給、さらにはポータブル電源の作成の分野でも実績を上げています。 これが、これらの要素の将来の使用の目的です。

メタノールを直接酸化する燃料電池の設計は、プロトン交換膜 (MEPFC) を備えた燃料電池と似ています。 ポリマーが電解質として使用され、水素イオン (プロトン) が電荷担体として使用されます。 ただし、液体メタノール (CH3OH) はアノードで水の存在下で酸化し、CO2、水素イオン、電子を放出し、これらが外部電気回路を通って送られることで電流が発生します。 水素イオンは電解質を通過し、空気中の酸素および外部回路からの電子と反応して、アノードで水を形成します。

アノードでの反応: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
カソードでの反応: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
元素の一般的な反応: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

これらの燃料電池の開発は 1990 年代初頭に始まりました。 改良された触媒の開発やその他の最近の技術革新により、出力密度と効率は 40% まで向上しました。

これらの要素は 50 ～ 120°C の温度範囲でテストされました。 動作温度が低く、コンバーターが不要な直接メタノール酸化燃料電池は、携帯電話やその他の消費者製品と自動車エンジンの両方でのアプリケーションの主な候補です。 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（ALFC）

アルカリ燃料電池 (AFC) は、1960 年代半ばから使用されている、最も研究されている技術の 1 つです。 NASAによるアポロ計画とスペースシャトル計画。 これらの宇宙船では、燃料電池が電気エネルギーと飲料水を生成します。 アルカリ燃料電池は発電に使用される電池の中で最も効率が高く、発電効率は最大70%に達します。

アルカリ燃料電池は、多孔質で安定化されたマトリックスに含まれる水酸化カリウムの水溶液である電解質を使用します。 水酸化カリウムの濃度は、燃料電池の動作温度 (65°C ～ 220°C) によって異なります。 SHTE の電荷キャリアはヒドロキシル イオン (OH-) で、カソードからアノードに移動し、そこで水素と反応して水と電子を生成します。 アノードで生成された水はカソードに戻り、そこで再びヒドロキシルイオンが生成されます。 燃料電池内で起こるこの一連の反応の結果、電気と副産物として熱が生成されます。

アノードでの反応: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
カソードでの反応: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
システムの一般的な反応: 2H2 + O2 => 2H2O

SHTE 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物質よりも安価な物質であればどれでも使用できるため、これらの燃料電池が最も安価に製造できることです。 さらに、SFC 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。そのため、このような特性により、より高速な発電と高い燃料効率が実現します。

SHTE の特徴の 1 つは、燃料または空気に含まれる CO2 に対する感度が高いことです。 CO2 は電解質と反応して急速に電解質を毒し、燃料電池の効率を大幅に低下させます。 したがって、SHTE の使用は宇宙船や水中車両などの密閉空間に限定され、純粋な水素と酸素で動作する必要があります。 さらに、CO、H2O、CH4 などの分子は、他の燃料電池にとっては安全であり、一部の燃料電池では燃料としても機能しますが、SHFC にとっては有害です。

固体高分子型燃料電池 (PEFC)

固体高分子形燃料電池の場合、高分子膜は、伝導水イオン H2O+ (プロトン、赤色) が水分子に結合する水領域を備えたポリマー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。 したがって、燃料と出口電極の両方に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。

固体酸型燃料電池（SFC）

固体酸燃料電池では、電解質 (CsHSO4) には水分が含まれません。 したがって、動作温度は 100 ～ 300°C になります。 SO42 オキシアニオンの回転により、プロトン (赤色) が図に示すように移動します。

通常、固体酸型燃料電池は、固体酸化合物の非常に薄い層が、良好な接触を確保するためにしっかりと押し付けられた 2 つの電極の間に挟まれたサンドイッチ構造です。 加熱されると有機成分が蒸発し、電極の細孔から出て、燃料（または要素のもう一方の端の酸素）、電解質、電極間の複数の接触能力が維持されます。

燃料電池の種類	作業温度	発電効率	燃料のタイプ	応用分野
RKTE	550～700℃	50-70%		中規模および大規模な設備
FCTE	100～220℃	35-40%	純粋な水素	大規模な設置
モプテ	30～100℃	35-50%	純粋な水素	小規模な設備
SOFC	450～1000℃	45-70%	ほとんどの炭化水素燃料	小規模、中規模、大規模な設備
PEMFC	20～90℃	20-30%	メタノール	ポータブルユニット
SHTE	50～200℃	40-65%	純粋な水素	宇宙研究
ピート	30～100℃	35-50%	純粋な水素	小規模な設備

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