수소연료전지. 집에서 DIY 연료 전지. 메탄올 연료전지. 연료전지 설치. 집에서 DIY 연료전지 집에서 만드는 에틸알코올 연료전지
필러 호스 피팅을 연료 필러 넥에 삽입하고 반 바퀴 돌려 연결부를 밀봉합니다. 토글 스위치를 클릭하면 주유 펌프에 큰 글자 h3이 있는 깜박이는 LED가 급유가 시작되었음을 나타냅니다. 잠시만 기다리세요. 탱크가 가득 차면 갈 수 있습니다!
우아한 차체 윤곽, 초저 서스펜션, 로우 프로파일 슬릭은 실제 레이싱 스타일을 발산합니다. 투명한 커버를 통해 파이프라인과 케이블의 복잡한 네트워크가 보입니다. 이미 어딘가에서 유사한 해결책을 본 적이 있습니다... 아, 그렇습니다. Audi R8에서는 뒷유리창을 통해서도 엔진을 볼 수 있습니다. 하지만 아우디에서는 전통적인 휘발유를 사용하고 이 자동차는 수소로 움직입니다. BMW 수소 7과 비슷하지만 후자와 달리 내연기관이 없다. 유일하게 움직이는 부품은 조향 기어와 전기 모터 로터입니다. 그리고 이를 위한 에너지는 연료전지에서 제공됩니다. 이 자동차는 연료 전지 개발 및 생산을 전문으로 하는 싱가포르 회사인 Horizon Fuel Cell Technologies에서 생산되었습니다. 2009년에 영국 회사 Riversimple은 이미 Horizon Fuel Cell Technologies 연료 전지로 구동되는 도시형 수소 자동차를 출시했습니다. 옥스포드 및 크랜필드 대학과 협력하여 개발되었습니다. 그러나 Horizon H-racer 2.0은 단독 개발입니다.
연료전지는 촉매층으로 코팅되고 양성자 교환막으로 분리된 두 개의 다공성 전극으로 구성됩니다. 양극 촉매의 수소는 양성자와 전자로 변환되어 양극과 외부 전기 회로를 통해 음극으로 이동하고, 음극에서 수소와 산소가 재결합하여 물을 형성합니다.
"가다!" -편집장이 가가린 스타일로 팔꿈치로 나를 쿡쿡 찔렀습니다. 하지만 그렇게 빠르지는 않습니다. 먼저 부분 부하에서 연료 전지를 "예열"해야 합니다. 토글 스위치를 "웜업" 모드로 전환하고 할당된 시간을 기다립니다. 그런 다음 혹시라도 탱크가 가득 찰 때까지 탱크를 채워 넣습니다. 이제 가자. 엔진이 부드럽게 윙윙거리며 자동차가 앞으로 나아간다. 역학은 인상적이지만 전기 자동차에서 또 무엇을 기대할 수 있습니까? 토크는 어떤 속도에서도 일정합니다. 오래 걸리지는 않지만 가득 찬 수소 탱크는 단 몇 분만 지속됩니다. (Horizon은 가까운 시일 내에 수소가 압력 하의 가스로 저장되지 않고 흡착기의 다공성 물질에 의해 유지되는 새 버전을 출시할 것을 약속합니다. ). 그리고 솔직히 말해서 제어가 잘되지 않습니다. 리모콘에는 버튼이 두 개뿐입니다. 하지만 어찌됐든 이것이 150달러짜리 무선 조종 장난감에 불과하다는 것이 안타깝습니다. 우리는 전력용 연료전지를 장착한 실제 자동차를 운전하는 것을 꺼리지 않을 것입니다.
단단한 케이스 안에 들어 있는 탄력 있는 고무 용기인 탱크는 연료를 공급할 때 늘어나며 연료 펌프 역할을 하여 수소를 연료 전지 안으로 "압착"합니다. 탱크가 "과도하게 채워지는" 것을 방지하기 위해 피팅 중 하나가 플라스틱 튜브로 비상 압력 방출 밸브에 연결됩니다.
주유소
너 스스로해라
Horizon H-racer 2.0 기계는 대규모 조립(DIY 유형)용 키트로 제공되며, 예를 들어 Amazon에서 구입할 수 있습니다. 하지만 조립은 어렵지 않습니다. 연료전지를 제자리에 놓고 나사로 고정한 뒤, 호스를 수소탱크, 연료전지, 필러넥, 비상밸브에 연결하고 남은 것은 상단 부분만 얹어주면 됩니다. 전면 및 후면 범퍼를 잊지 않고 몸을 제자리에 두십시오. 키트에는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 충전소가 포함되어 있습니다. 두 개의 AA 배터리로 구동되며, 에너지를 완전히 "깨끗하게" 사용하려면 태양 전지판(키트에도 포함되어 있음)을 사용하면 됩니다.
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자신의 손으로 연료 전지를 만드는 방법은 무엇입니까?
물론 무연료 시스템의 지속적인 작동을 보장하는 문제에 대한 가장 간단한 해결책은 유압식 또는 기타 기반으로 기성 2차 에너지원을 구입하는 것이지만 이 경우 추가 비용을 피할 수는 없습니다. 비용, 그리고 이 과정에서 창의적 사고의 비행에 대한 아이디어를 고려하는 것은 매우 어렵습니다. 또한 자신의 손으로 연료 전지를 만드는 것은 언뜻 생각하는 것만 큼 어렵지 않으며 경험이 부족한 장인이라도 원할 경우 작업에 대처할 수 있습니다. 또한, 이 요소를 만드는 데 드는 비용이 저렴하다는 점은 즐거운 보너스 이상의 것입니다. 왜냐하면 모든 이점과 중요성에도 불구하고 이미 가지고 있는 수단을 사용하여 절대적으로 쉽게 해결할 수 있기 때문입니다.
이 경우 작업을 완료하기 전에 고려해야 할 유일한 뉘앙스는 자신의 손으로 초저전력 장치를 만들 수 있으며 더 발전되고 복잡한 설치 구현은 여전히 자격을 갖춘 전문가에게 맡겨야 한다는 것입니다. 작업 순서와 작업 순서에 관해서는 첫 번째 단계는 몸체를 완성하는 것입니다. 두꺼운 벽으로 된 플렉시 유리 (최소 5cm)를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 케이스 벽을 접착하고 더 얇은 플렉시 유리(3mm이면 충분)를 사용하는 것이 가장 좋은 내부 파티션을 설치하려면 2가지 복합 접착제를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 그러나 실제로 원한다면 고품질 납땜을 직접 수행할 수 있습니다. 다음 비율을 사용합니다: 100g의 클로로포름당 - 동일한 플렉시유리에서 6g의 부스러기.
이 경우 프로세스는 후드에서만 수행되어야 합니다. 케이스에 소위 배수 시스템을 장착하려면 전면 벽에 관통 구멍을 조심스럽게 뚫어야합니다. 이 구멍의 직경은 고무 플러그의 치수와 정확히 일치하며 사이의 일종의 개스킷 역할을합니다. 케이스와 유리 배수관. 튜브 자체의 크기는 설계되는 구조 유형에 따라 다르지만 이상적으로는 폭이 5~6mm여야 합니다. 연료 전지를 만드는 데 필요한 요소 목록에 나열된 오래된 방독면이 이 기사의 잠재적인 독자들에게 놀라움을 줄 것이라고 말할 가능성이 더 높습니다. 한편, 이 장치의 모든 이점은 나중에 전극으로 사용할 수 있는 호흡기 구획에 위치한 활성탄에 있습니다.
우리는 가루의 일관성에 대해 이야기하고 있으므로 디자인을 개선하려면 쉽게 가방을 만들고 석탄을 넣을 수있는 나일론 스타킹이 필요합니다. 그렇지 않으면 단순히 구멍에서 쏟아져 나올 것입니다. 분배 기능의 경우, 연료의 농도는 첫 번째 챔버에서 발생하는 반면, 연료 전지의 정상적인 기능에 필요한 산소는 반대로 마지막 다섯 번째 구획에서 순환합니다. 전극 사이에 있는 전해질 자체는 특수 용액(125~2밀리리터 비율의 파라핀이 함유된 가솔린)에 담가야 하며, 공기 전해질을 네 번째 칸에 넣기 전에 이 작업을 수행해야 합니다. 적절한 전도성을 보장하기 위해 사전 납땜된 와이어가 있는 구리판을 석탄 위에 놓고 이를 통해 전극에서 전기가 전달됩니다.
이 설계 단계는 완성된 장치가 충전된 후 전해질이 필요한 최종 단계로 안전하게 간주될 수 있습니다. 그것을 준비하려면 에틸 알코올과 증류수를 같은 비율로 혼합하고 액체 1컵당 70g의 비율로 가성 칼륨을 점차 도입해야 합니다. 제조된 장치의 첫 번째 테스트에서는 플렉시글래스 하우징의 첫 번째(연료 액체) 및 세 번째(에틸 알코올 및 가성 칼륨으로 만든 전해질) 용기를 동시에 채우는 작업이 포함됩니다.
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수소 연료 전지 | 라벤트
저는 오랫동안 Alfaintek 회사의 또 다른 방향에 대해 말씀드리고 싶었습니다. 수소연료전지의 개발, 판매, 서비스 입니다. 러시아의 연료전지 상황을 즉시 설명하고 싶습니다.
상당히 높은 비용과 이러한 연료 전지를 충전하기 위한 수소 충전소가 전혀 없기 때문에 러시아에서의 판매는 예상되지 않습니다. 그럼에도 불구하고 유럽, 특히 핀란드에서는 이러한 연료전지가 매년 인기를 얻고 있다. 비밀은 무엇입니까? 한번 살펴보자. 
이 장치는 환경 친화적이고 사용하기 쉽고 효과적입니다. 전기 에너지가 필요한 사람의 도움이됩니다. 도로나 하이킹 중에 가지고 다닐 수 있으며, 시골집이나 아파트에서 자율적인 전기 공급원으로 사용할 수도 있습니다.
연료전지의 전기는 탱크의 수소와 금속수소화물 및 공기 중의 산소의 화학반응에 의해 생성됩니다. 실린더는 폭발하지 않으며 몇 년 동안 옷장에 보관할 수 있습니다. 이것이 아마도 수소 저장 기술의 주요 장점 중 하나일 것입니다. 수소연료 개발의 주요 문제점 중 하나는 수소의 저장이다. 안전하고 조용하며 배기가스 없이 수소를 기존 전기로 변환하는 독특하고 새로운 경량 연료 전지입니다.
이러한 유형의 전기는 중앙 전력이 없는 곳이나 비상 전원으로 사용할 수 있습니다.
충전 과정에서 충전을 해야 하고 전기 소비자로부터 연결을 끊어야 하는 기존 배터리와 달리 연료전지는 "스마트" 장치로 작동합니다. 이 기술은 연료통 교체 시 고유의 절전 기능으로 사용자가 소비자의 전원을 끌 필요가 없어 사용 기간 내내 무정전 전원을 제공합니다. 밀폐된 케이스에서 연료전지는 수소의 양을 잃지 않고 출력을 감소시키지 않고 수년 동안 보관할 수 있습니다.
연료전지는 과학자와 연구원, 법집행기관, 응급구조대원, 보트 및 선착장 소유주, 그리고 비상시에 안정적인 전원이 필요한 모든 사람을 위해 설계되었습니다. 
12볼트 또는 220볼트를 얻을 수 있으며 TV, 스테레오, 냉장고, 커피 메이커, 주전자, 진공청소기, 드릴, 전자레인지 및 기타 전기 제품을 작동하기에 충분한 에너지를 갖게 됩니다.
하이드로셀 연료전지는 단일 유닛으로 판매되거나 2~4셀 배터리로 판매될 수 있습니다. 2개 또는 4개의 요소를 결합하여 전력을 높이거나 전류량을 늘릴 수 있습니다. 
연료전지를 사용하는 가전제품의 작동 시간
| 가전 제품 | 1일 운행시간(분) | 필수의 일일 전력(Wh) | 연료전지 작동 시간 |
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| 전기 주전자 | ||||||
| 커피 메이커 | ||||||
| 마이크로슬래브 | ||||||
| TV | ||||||
| 전구 60W 1개 | ||||||
| 전구 75W 1개 | ||||||
| 전구 60W 3개 | ||||||
| 컴퓨터 노트북 | ||||||
| 냉장고 | ||||||
| 에너지 절약 램프 | ||||||
* - 연속 작동
연료전지는 특수 수소 충전소에서 완전히 충전됩니다. 하지만 멀리 여행을 가서 재충전할 방법이 없다면 어떻게 될까요? 특히 이러한 경우를 위해 Alfaintek 전문가들은 연료 전지가 훨씬 더 오래 작동할 수 있는 수소 저장용 실린더를 개발했습니다.
NS-MN200과 NS-MN1200 두 가지 유형의 실린더를 사용할 수 있으며 조립된 NS-MN200은 코카콜라 캔보다 약간 크고 40Ah(12V)에 해당하는 230리터의 수소를 담을 수 있으며 무게는 2.5kg에 불과합니다. .금속 수소화물 실린더 NS-MH1200은 1200리터의 수소를 담을 수 있으며 이는 220Ah(12V)에 해당합니다. 실린더의 무게는 11kg입니다.
금속 수소화물 기술은 수소를 저장, 운송 및 사용하는 안전하고 쉬운 방법입니다. 금속 수소화물로 저장될 때 수소는 기체 형태가 아닌 화합물 형태입니다. 이 방법을 사용하면 충분히 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있습니다. 금속수소화물을 사용하면 실린더 내부의 압력이 2~4bar에 불과하고, 실린더는 폭발성이 없으며 물질의 부피를 줄이지 않고 수년간 보관할 수 있다는 장점이 있다. 수소는 금속수소화물로 저장되기 때문에 실린더에서 얻어지는 수소의 순도는 99.999%로 매우 높다. 금속 수소화물 수소 저장 실린더는 HC 100,200,400 연료 전지뿐만 아니라 순수 수소가 필요한 다른 경우에도 사용할 수 있습니다. 실린더는 빠른 연결 커넥터와 유연한 호스를 사용하여 연료 전지 또는 기타 장치에 쉽게 연결할 수 있습니다.
이러한 연료전지가 러시아에서는 판매되지 않는 것이 아쉽습니다. 그러나 우리 인구 중에는 그것을 필요로 하는 사람들이 너무 많습니다. 글쎄, 우리는 기다려 볼 것이고, 당신도 보게 될 것이고, 우리는 약간을 갖게 될 것입니다. 그 동안 우리는 국가에서 부과하는 에너지 절약형 전구를 구입할 것입니다.
추신 드디어 주제가 망각으로 사라진 것 같습니다. 이 기사가 작성된 지 수년이 지났지만 아무 것도 나오지 않았습니다. 물론 내가 모든 곳을 보고 있지는 않을지 모르지만, 내 눈에 띄는 것은 전혀 즐겁지 않습니다. 기술이나 아이디어는 좋은데 아직까지 발전된 부분은 발견되지 않았습니다.
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연료전지, 오늘부터 시작되는 미래!
21세기 초에는 생태학이 가장 중요한 글로벌 과제 중 하나로 간주됩니다. 그리고 현 상황에서 가장 먼저 주목해야 할 것은 대체 에너지원의 탐색과 활용이다. 그들은 우리 환경의 오염을 막을 수 있을 뿐만 아니라 지속적으로 상승하는 탄화수소 기반 연료의 가격을 완전히 버릴 수 있는 사람들입니다.
이미 오늘날 태양전지, 풍력 터빈과 같은 에너지원이 응용되고 있습니다. 그러나 불행히도 그들의 단점은 날씨, 계절 및 시간에 대한 의존성과 관련이 있습니다. 이러한 이유로 우주 비행, 항공기 및 자동차 산업에서의 사용은 점차 중단되고 있으며 고정식 사용을 위해 보조 전원인 배터리가 장착됩니다.
그러나 가장 좋은 해결책은 연료전지입니다. 지속적인 에너지 재충전이 필요하지 않기 때문입니다. 각종 연료(휘발유, 알코올, 수소 등)를 직접 가공하여 전기에너지로 변환할 수 있는 장치입니다.
연료전지는 외부에서 연료를 공급받아 산소에 의해 산화되고, 방출된 에너지가 전기로 변환되는 원리로 작동합니다. 이 작동 원리는 거의 영원한 작동을 보장합니다.
19세기 말부터 과학자들은 연료전지 자체를 연구해 왔으며 끊임없이 새로운 변형을 개발해왔습니다. 따라서 오늘날 작동 조건에 따라 알칼리성 또는 알칼리성(AFC), 직접 보로수화물(DBFC), 전기 갈바닉(EGFC), 직접 메탄올(DMFC), 아연 공기(ZAFC), 미생물(MFC) 모델이 있습니다. 포름산(DFAFC) 및 금속 수소화물(MHFC)을 기반으로 하는 물질도 알려져 있습니다.
가장 유망한 분야 중 하나는 수소연료전지다. 발전소에서 수소를 사용하면 상당한 에너지 방출이 수반되며, 이러한 장치에서 배출되는 배출물은 환경에 어떠한 위협도 주지 않는 순수한 수증기 또는 식수입니다.
우주선에서 이러한 유형의 연료 전지를 성공적으로 테스트한 것은 최근 전자 제품 및 다양한 장비 제조업체 사이에서 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 따라서 PolyFuel사는 노트북용 소형 수소 연료전지를 선보였습니다. 그러나 그러한 장치의 가격이 너무 높고 방해받지 않는 연료 보급의 어려움으로 인해 산업 생산과 광범위한 유통이 제한됩니다. 혼다는 또한 10년 넘게 자동차 연료전지를 생산해왔습니다. 그러나 이러한 유형의 운송 수단은 판매되지 않으며 회사 직원의 공식 용도로만 사용됩니다. 자동차는 엔지니어의 감독하에 있습니다.
많은 사람들이 연료전지를 자신의 손으로 조립하는 것이 가능한지 궁금해합니다. 결국 수제 장치의 중요한 이점은 산업 모델과 달리 약간의 투자가 될 것입니다. 미니어처 모델의 경우 30cm 백금 코팅 니켈 와이어, 작은 플라스틱 또는 나무 조각, 9볼트 배터리 클립과 배터리 자체, 투명 접착 테이프, 물 한 잔, 전압계가 필요합니다. 이러한 장치를 사용하면 작업의 본질을 보고 이해할 수 있지만 물론 자동차용 전기를 생성하는 것은 불가능합니다.
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수소 연료 전지: 작은 역사 | 수소
오늘날 전통적인 에너지 자원의 부족 문제와 그 사용으로 인한 지구 생태계 전체의 악화 문제는 특히 심각합니다. 이것이 바로 최근 잠재적으로 유망한 탄화수소 연료 대체품 개발에 상당한 재정 자원과 지적 자원이 투자된 이유입니다. 수소는 발전소에서 사용하면 많은 양의 에너지가 방출되고 배기가스는 수증기, 즉 환경에 위험을 초래하지 않기 때문에 가까운 미래에 그러한 대체물이 될 수 있습니다.
수소 기반 연료전지의 구현에 여전히 존재하는 일부 기술적 어려움에도 불구하고, 많은 자동차 제조업체는 이 기술의 가능성을 높이 평가하고 이미 수소를 주 연료로 사용할 수 있는 생산 차량의 프로토타입을 적극적으로 개발하고 있습니다. 2001년에 Daimler AG는 수소 발전소를 갖춘 개념적인 Mercedes-Benz 모델을 선보였습니다. 아울러 한국 현대자동차는 더 이상 전기차를 개발하지 않고, 저렴한 가격의 수소차 개발에 모든 역량을 집중하겠다고 공식적으로 밝혔습니다.
수소를 연료로 사용한다는 아이디어가 많은 사람들에게 과격한 것이 아니라는 사실에도 불구하고 대부분은 수소를 사용하는 연료 전지가 어떻게 작동하는지, 그리고 그 연료 전지의 놀라운 점이 무엇인지 모릅니다.
기술의 중요성을 이해하려면 수소연료전지의 역사를 살펴보는 것이 좋다.
연료전지에 수소를 사용할 수 있는 가능성을 최초로 설명한 사람은 독일인 크리스티안 프리드리히(Christian Friedrich)였습니다. 1838년에 그는 당시의 유명한 과학 저널에 자신의 연구 결과를 발표했습니다.
바로 다음 해, Uhls의 판사인 William Robert Grove 경이 작동 가능한 수소 배터리의 프로토타입을 만들었습니다. 그러나 당시의 기준으로도 장치의 힘이 너무 작아서 실용화에는 무리가 있었습니다.
"연료전지"라는 용어는 1889년에 공기와 코크스 오븐 가스로 작동하는 연료전지를 만들려고 시도한 과학자 Ludwig Mond와 Charles Langer에게서 유래되었습니다. 다른 출처에 따르면, 이 용어는 전해질에 인산을 사용하기로 처음 결정한 William White Jaques에 의해 처음 사용되었습니다.
1920년대 독일에서는 수많은 연구가 진행되어 고체산화물 연료전지와 탄산염 사이클을 활용하는 방법이 발견됐다. 이러한 기술이 우리 시대에 효과적으로 사용되고 있다는 점은 주목할 만합니다.
1932년에 엔지니어 Francis T Bacon은 수소 기반 연료 전지를 직접 연구하는 작업을 시작했습니다. 그 전에 과학자들은 확립된 계획을 사용했습니다. 다공성 백금 전극을 황산에 배치했습니다. 이러한 계획의 명백한 단점은 무엇보다도 백금 사용으로 인해 부당하게 높은 비용이 든다는 것입니다. 또한, 가성황산의 사용은 연구자들의 건강은 물론 때로는 생명까지 위협하게 되었습니다. 베이컨은 회로를 최적화하기로 결정하고 백금을 니켈로 대체했으며 알칼리성 성분을 전해질로 사용했습니다.
기술을 개선하기 위한 생산적인 작업 덕분에 베이컨은 이미 1959년에 일반 대중에게 5kW를 생산하고 용접 기계에 전력을 공급할 수 있는 수소 연료 전지를 선보였습니다. 그는 제시된 장치를 "베이컨 셀(Bacon Cell)"이라고 불렀습니다.
같은 해 10월에는 수소로 작동하고 20마력을 생산하는 독특한 트랙터가 탄생했습니다.
20세기 60년대 미국 회사 General Electric은 베이컨이 개발한 계획을 개발하여 이를 Apollo 및 NASA Gemini 우주 프로그램에 적용했습니다. NASA의 전문가들은 원자로를 사용하는 것이 너무 비싸고 기술적으로 어렵고 안전하지 않다는 결론에 도달했습니다. 또한 크기가 크기 때문에 태양광 패널과 함께 배터리를 사용하는 것을 포기해야 했습니다. 문제에 대한 해결책은 우주선에 에너지를 공급하고 승무원에게 깨끗한 물을 공급할 수 있는 수소 연료 전지였습니다.
수소를 연료로 사용하는 최초의 버스는 1993년에 제작되었습니다. 그리고 수소 연료 전지로 구동되는 승용차의 프로토타입은 이미 1997년에 Toyota 및 Daimler Benz와 같은 글로벌 자동차 브랜드에서 선보였습니다.
15년 전에 자동차에 판매되었던 유망한 친환경 연료가 아직 널리 보급되지 않았다는 것이 조금 이상합니다. 여기에는 여러 가지 이유가 있는데, 아마도 주된 이유는 정치적이고 적절한 인프라 구축에 대한 요구 때문일 것입니다. 수소가 여전히 자신의 발언권을 갖고 전기 자동차의 중요한 경쟁자가 되기를 바랍니다.(odnaknopka)
Energycraft.org
작성일: 2012년 7월 14일 20:44 작성자: Alexey Norkin에너지가 없는 우리의 물질사회는 발전할 수 없을 뿐만 아니라 존재조차 할 수 없습니다. 에너지는 어디에서 오는가? 최근까지 사람들은 그것을 얻기 위해 한 가지 방법만을 사용했습니다. 우리는 자연과 싸워 얻은 트로피를 첫 번째 가정용 난로, 증기 기관차 및 강력한 화력 발전소의 용광로에서 태웠습니다.
현대인이 소비하는 킬로와트시에는 문명인이 기술의 혜택을 누릴 수 있도록 자연이 몇 년 동안 일했는지, 그리고 자연이 초래한 피해를 완화하려면 몇 년 동안 일해야 하는지 나타내는 표시가 없습니다. 그녀는 그런 문명에 의해. 그러나 조만간 환상의 짧은 서사시가 끝날 것이라는 이해가 사회에서 커지고 있습니다. 점점 더 많은 사람들이 자연에 대한 피해를 최소화하면서 필요한 에너지를 공급할 수 있는 방법을 고안하고 있습니다.
수소연료전지는 청정에너지의 성배이다. 주기율표의 공통 원소 중 하나인 수소를 처리하고 지구상에서 가장 흔한 물질인 물만 방출합니다. 사람들이 물질로서 수소에 접근하지 못하기 때문에 장밋빛 그림이 망가졌습니다. 양은 많지만 묶여 있는 상태일 뿐이고, 그것을 추출하는 것은 깊은 곳에서 기름을 퍼내거나 석탄을 파내는 것보다 훨씬 더 어렵습니다.
깨끗하고 환경 친화적인 수소 생산을 위한 옵션 중 하나는 미생물을 사용하여 물을 산소와 수소로 분해하는 미생물 연료 전지(MTB)입니다. 여기에서도 모든 것이 순탄하지는 않습니다. 미생물은 청정 연료를 생산하는 데 탁월한 역할을 하지만 실제로 필요한 효율성을 달성하려면 MTB에는 공정의 화학 반응 중 하나를 가속화하는 촉매가 필요합니다.
이 촉매는 귀금속 백금인데, 그 비용으로 인해 MTB의 사용이 경제적으로 정당하지 않고 현실적으로 불가능해졌습니다.
위스콘신-밀워키 대학의 과학자들은 값비싼 촉매를 대체할 수 있는 물질을 발견했습니다. 백금 대신에 그들은 탄소, 질소, 철의 조합으로 만들어진 값싼 나노막대를 사용할 것을 제안했습니다. 새로운 촉매는 표면층에 질소가 내장된 흑연 막대와 탄화철 코어로 구성됩니다. 3개월간 신제품 테스트를 통해 백금보다 뛰어난 성능을 입증했다. 나노막대의 작동은 더욱 안정적이고 제어 가능하다는 것이 밝혀졌습니다.
그리고 가장 중요한 것은 대학 과학자들의 아이디어가 훨씬 저렴하다는 것입니다. 따라서 백금촉매 가격은 MTB 가격의 약 60% 수준인 반면, 나노막대 가격은 현재 가격의 5% 이내 수준이다.
촉매 나노막대의 창시자인 Junhong Chen 교수에 따르면, “연료전지는 연료를 전기로 직접 변환할 수 있습니다. 이를 통해 재생 가능 에너지원의 전기 에너지를 깨끗하고 효율적이며 지속 가능한 방식으로 필요한 곳에 전달할 수 있습니다.”
Chen 교수와 그의 연구진은 현재 촉매의 정확한 특성을 연구하고 있습니다. 그들의 목표는 그들의 발명품에 실용적인 초점을 부여하여 대량 생산 및 사용에 적합하게 만드는 것입니다.
Gizmag의 자료를 기반으로 함
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수소 연료 전지 및 에너지 시스템
머지않아 수력자동차가 현실화되고, 수소연료전지가 많은 가정에 설치될 것이다.
수소연료전지 기술은 새로운 것이 아니다. 1776년 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)가 금속을 묽은 산에 용해시키면서 처음으로 수소를 발견하면서 시작되었습니다. 최초의 수소 연료전지는 이미 1839년 William Grove에 의해 발명되었습니다. 이후 수소연료전지는 점차 개선돼 현재는 우주왕복선에 탑재돼 에너지를 공급하고 물의 공급원 역할을 하고 있다. 오늘날 수소 연료전지 기술은 자동차, 가정, 휴대용 장치 등 대중 시장에 진출하기 직전입니다.
수소 연료 전지에서는 화학 에너지(수소와 산소 형태)가 직접(연소 없이) 전기 에너지로 변환됩니다. 연료전지는 음극, 전극, 양극으로 구성된다. 수소는 양극으로 공급되어 양성자와 전자로 분리됩니다. 양성자와 전자는 음극으로 가는 경로가 다릅니다. 양성자는 전극을 통해 음극으로 이동하고, 전자는 연료전지를 통과하여 음극에 도달합니다. 이 움직임은 이후에 사용 가능한 전기 에너지를 생성합니다. 반면에 수소의 양성자와 전자는 산소와 결합하여 물을 형성합니다.
전해조는 물에서 수소를 추출하는 한 가지 방법입니다. 이 과정은 기본적으로 수소 연료전지에서 일어나는 과정과 반대입니다. 전해조는 양극, 전기화학 셀, 음극으로 구성됩니다. 물과 전압이 양극에 가해지면 물이 수소와 산소로 분리됩니다. 수소는 전기화학 전지를 통해 음극으로 전달되고 산소는 음극으로 직접 공급됩니다. 거기에서 수소와 산소를 추출하고 저장할 수 있습니다. 전기 생산이 필요하지 않은 시간에는 축적된 가스를 저장 시설에서 제거하여 연료 전지를 통해 다시 통과시킬 수 있습니다.
이 시스템은 수소를 연료로 사용하기 때문에 안전성에 대한 많은 오해가 있습니다. 힌덴부르크호 폭발 이후, 과학과는 거리가 먼 많은 사람들, 심지어 일부 과학자들조차 수소의 사용이 매우 위험하다고 믿기 시작했습니다. 그러나 최근 연구에 따르면 이 비극의 원인은 내부에 주입된 수소가 아니라 건설에 사용된 재료의 종류와 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 수소 저장의 안전성을 테스트한 결과, 연료전지에 수소를 저장하는 것이 자동차 연료탱크에 휘발유를 저장하는 것보다 안전한 것으로 나타났습니다.
현대 수소 연료전지의 가격은 얼마입니까? 현재 기업들은 킬로와트당 약 3,000달러의 전력을 생산하는 수소 연료 시스템을 제공하고 있습니다. 마케팅 조사에 따르면 비용이 킬로와트당 1,500달러로 떨어지면 대량 에너지 시장의 소비자는 이러한 유형의 연료로 전환할 준비가 될 것입니다.
수소 연료전지 차량은 여전히 내연기관 차량보다 비싸지만, 제조업체는 가격을 비슷한 수준으로 끌어올리는 방법을 모색하고 있습니다. 전력선이 없는 일부 외딴 지역에서는 수소를 연료로 사용하거나 가정에 독립적으로 전력을 공급하는 것이 예를 들어 기존 에너지원을 위한 인프라를 구축하는 것보다 지금으로서는 더 경제적일 수 있습니다.
수소연료전지가 아직도 널리 사용되지 않는 이유는 무엇입니까? 현재 수소연료전지 보급의 가장 큰 문제는 높은 가격이다. 수소 연료 시스템은 현재 대량 수요가 없습니다. 그러나 과학은 가만히 있지 않으며 가까운 미래에 물 위를 달리는 자동차가 현실이 될 수도 있습니다.
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이야기
첫 번째 요소는 러시아의 (이것이 중요합니다) 간단한 연필의 리드로 만들어진 것 같고 몸체는 맥주 마개였습니다. 이 모든 것은 부엌 스토브에서 가열되었습니다. 전해질은 라벨에 따르면 NaOH인 Digger 파이프 클리너 분말이었습니다. 어느 정도 전류를 얻을 수 있었기 때문에 아마도 그러한 요소가 실제로 작동할 수 있을 것이라고 생각했습니다. 깡통의 이음새에서 새기 시작했고(땜납이 알칼리에 의해 부식됨) 결과가 어땠는지 기억도 나지 않습니다. 좀 더 진지한 경험을 위해 스테인리스 스틸로 만든 저거너트를 구입했습니다. 그러나 그녀에게는 아무 일도 일어나지 않았습니다. 전압이 0.5V에 불과했을 뿐만 아니라 잘못된 방향으로도 향하고 있었습니다. 또한 연필의 석탄은 구성 요소로 부서지기를 정말로 좋아한다는 것이 밝혀졌습니다. 분명히 그들은 단단한 흑연 결정으로 만들어지지 않고 먼지로 서로 붙어 있습니다. AA 배터리 막대에도 같은 운명이 닥쳤습니다. 일부 전기 모터에서 브러시도 구입했지만 공급선이 브러시에 들어가는 곳은 금방 사용할 수 없게 되었습니다. 또한 한 쌍의 브러시에는 구리 또는 기타 금속이 포함되어 있는 것으로 나타났습니다(브러시에서 발생함).
나는 뒤통수를 긁적이며 신뢰성을 위해 Jaco가 설명한 기술, 즉 소결을 사용하여 은과 석탄으로 용기를 만드는 것이 더 나을 것이라고 결정했습니다. 은의 가격은 적당합니다 (가격은 변동이 있지만 그램 당 약 10-20 루블 정도입니다). 훨씬 더 비싼 차를 만난 적이 있어요.
은은 NaOH 용융물에서 안정적인 반면, 철은 Na2FeO4와 같은 철산염을 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 철은 일반적으로 원자가가 다양하기 때문에 철의 이온은 적어도 이론상으로는 원소에 "단락"을 일으킬 수 있습니다. 그래서 은색의 경우가 더 간단하기 때문에 먼저 확인하기로 결정했습니다. 먼저 백동 은도금 스푼을 구입하여 브러시로 테스트 한 결과 즉시 필요한 극성을 갖춘 0.9V의 개방 회로와 상당히 큰 전류로 나타났습니다. 결과적으로 (실질적이지는 않지만 이론적으로는) 은은 공기가 통과할 때 일정량 생성되는 과산화나트륨 Na2O2의 존재 하에서 알칼리에 용해될 수도 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이것이 원소에서 일어나는지, 아니면 탄소의 보호 하에서 은이 안전한지 나는 모릅니다.
숟가락은 오래 살지 못했습니다. 은층이 부풀어올라 작동을 멈췄습니다. 백동은 알칼리에서 불안정합니다(세계에 존재하는 대부분의 물질과 마찬가지로). 그 후 은화로 특별한 컵을 만들었는데, 이 컵은 0.176와트의 기록적인 전력을 생산했습니다.
이 모든 일은 평범한 도시 아파트의 부엌에서 이루어졌습니다. 나는 심각하게 화상을 입지 않았고, 불을 피우지도 않았고, 녹은 잿물을 스토브에 한 번만 쏟았습니다 (에나멜은 즉시 부식되었습니다). 가장 간단한 도구가 사용되었습니다. 올바른 유형의 철분과 올바른 전해질 구성을 알아낼 수 있다면 무장하지 않은 모든 사람이 무릎에 그러한 요소를 만들 수 있습니다.
2008년에는 몇 가지 "올바른 유형의 철"이 확인되었습니다. 예를 들어 식품 등급의 스테인레스 스틸, 주석 캔, 자기 회로용 전기 강철 및 저탄소 강철(st1ps, st2ps)이 있습니다. 탄소가 적을수록 성능이 좋아집니다. 스테인레스 스틸은 순철보다 성능이 떨어지는 것 같습니다(그런데 훨씬 더 비쌉니다). 스웨덴이라고도 알려진 "노르웨이 강판" 철은 스웨덴에서 숯을 사용하여 만든 철이며 탄소 함량이 0.04% 이하입니다. 현재 이러한 낮은 탄소 함량은 전기강판에서만 찾아볼 수 있습니다. 아마도 전기강판을 찍어서 컵을 만드는 것이 가장 좋을 것입니다.
은잔 만들기
2008년에는 쇠컵도 잘 작동하는 것으로 밝혀져 은컵에 닿는 부분은 모두 제거했다. 흥미로웠지만 이제는 더 이상 관련성이 없습니다.
흑연을 사용해 볼 수 있습니다. 하지만 시간이 없었어요. 나는 운전사에게 트롤리 버스 경적에 대한 오버레이를 요청했지만 이것은 이미 내 실험 서사시의 끝이었습니다. 모터의 브러시를 사용해 볼 수도 있지만 종종 구리로 만들어져 실험의 순도를 위반합니다. 브러시에는 두 가지 옵션이 있었는데 하나는 구리를 사용하는 것으로 밝혀졌습니다. 연필은 표면적이 작고 전류를 끌어들이는 것이 불편하기 때문에 아무런 결과도 얻지 못합니다. 배터리 로드는 알칼리로 인해 분해됩니다.
(바인더에 문제가 발생합니다). 일반적으로 흑연은 원소에 있어서 최악의 연료입니다. 왜냐하면... 화학적으로 가장 저항력이 좋습니다. 그래서 우리는 전극을 “정직하게” 만듭니다. 우리는 숯을 가져다가 (슈퍼마켓에서 바비큐용으로 자작나무 숯을 샀습니다) 최대한 곱게 갈아줍니다 (먼저 도자기 절구에 갈아서 커피 그라인더를 샀습니다). 산업계에서 전극은 여러 분획의 석탄으로 만들어져 서로 혼합됩니다. 당신이 같은 일을 하는 것을 방해하는 것은 아무것도 없습니다. 전기 전도성을 높이기 위해 분말을 발사합니다. 가능한 가장 높은 온도(1000 이상)까지 몇 분 동안 가열해야 합니다. 당연히 공기 접근이 불가능합니다.
이를 위해 나는 서로 중첩된 두 개의 깡통으로 대장간을 만들었습니다. 단열을 위해 마른 점토 조각이 그 사이에 쌓여 있습니다. 두 캔 모두 바닥에 구멍이 뚫려 있어 공기가 통할 공간이 있습니다. 내부 캔은 석탄 (연료 역할을 함)으로 채워져 있으며 그 중에는 금속 상자가 놓여 있습니다. "도가니", 또한 주석 캔에서 주석으로 굴렸습니다. 종이봉투에 싸인 석탄가루를 상자에 담아줍니다. 석탄 다발과 “도가니” 벽 사이에는 틈이 있어야 합니다. 공기가 들어가지 않도록 모래로 덮여 있습니다. 석탄에 불을 붙인 다음 일반 헤어드라이어로 바닥에 있는 구멍을 통해 불어냅니다. 이 모든 것은 상당한 화재 위험이 있습니다. 불꽃이 날아갑니다. 보안경이 필요하고 근처에 커튼, 휘발유 통 또는 기타 화재 위험이 없는지 확인해야 합니다. 좋은 의미에서 장마철(비가 내리는 중간)에는 녹색 잔디밭 어딘가에서 그런 일을 하는 것이 더 나을 것입니다. 죄송합니다. 이 전체 구조를 그리기에는 너무 게으릅니다. 나 없이도 추측할 수 있을 것 같아요.
다음으로, 탄 가루에 일정량의 설탕을 눈으로 첨가합니다 (아마도 1/3에서 절반 정도). 이것이 바인더입니다. 그런 다음 약간의 물 (손이 더러워서 수도꼭지를 열 수 없을 때 침을 뱉고 물 대신 맥주를 넣었습니다. 그것이 얼마나 중요한지 모르겠습니다. 유기물이 중요할 가능성이 높습니다. 이 모든 것이 모르타르에 완전히 혼합되어 있습니다. 결과는 플라스틱 덩어리여야 합니다. 이 덩어리에서 전극을 형성해야 합니다. 더 잘 압축할수록 더 좋습니다. 나는 플러그를 꽂은 튜브 조각을 가져다가 석탄을 튜브에 망치질했습니다. 망치를 사용하여 더 작은 튜브. 튜브에서 제거할 때 제품이 떨어져 나가지 않도록 채우기 전에 여러 개의 종이 테두리를 파이프에 삽입했습니다. 플러그는 제거 가능해야 하며 파이프를 세로로 자르면 더 좋습니다. 그리고 클램프로 연결합니다. 그런 다음 압착 후 간단히 클램프를 분리하고 석탄 블랭크를 안전하고 건전하게 얻을 수 있습니다. 착탈식 플러그의 경우 완성된 작업물을 클램프에서 짜내야 합니다.
파이프(이 경우 파손될 수 있음). 내 석탄의 직경은 1.2-1.5cm이고 길이는 4-5cm였습니다.
완성된 형태는 건조됩니다. 이를 위해 가스레인지를 아주 약한 불로 켜고 그 위에 빈 깡통을 거꾸로 놓고 바닥에 석탄을 얹어 놓았습니다. 건조는 수증기로 인해 작업물이 찢어지지 않을 정도로 천천히 진행되어야 합니다. 물이 모두 증발한 후 설탕이 "끓기" 시작합니다. 캐러멜로 변하고 석탄 조각을 서로 붙일 것입니다.
냉각 후 방전 전극이 삽입될 석탄에 세로(대칭축을 따라) 둥근 구멍을 뚫어야 합니다. 구멍의 직경 - 기억이 나지 않습니다. 4mm였던 것 같습니다. 이 절차를 사용하면 구조가 취약하기 때문에 모든 것이 이미 다루어질 수 있습니다. 처음에는 2mm 드릴로 뚫은 다음 3mm 및 4mm 드릴이나 바늘 줄로 조심스럽게 (손으로) 확장했는데 정확히 기억이 나지 않습니다. 원칙적으로 이 구멍은 성형 단계에서 이미 만들어질 수 있습니다. 하지만 이것은 -
뉘앙스.
모든 것이 건조되고 뚫린 후에는 발사해야합니다. 일반적인 생각은 온도가 상당히 원활하게 상승하면 일정 시간(약 20분) 동안 공기에 접근하지 않고 석탄을 강력하고 균일하게 가열해야 한다는 것입니다. 서서히 가열했다가 식혀야 합니다. 온도 - 높을수록 좋습니다. 가급적이면 1000개 이상이면 됩니다.
임시 단조에서 철을 가열하는 주황색(흰색에 가까움). 산업용 전극은 매우 원활한 열 공급과 제거로 여러 날 동안 소성됩니다. 결국 이것은 본질적으로 깨지기 쉬운 도자기입니다. 석탄이 깨지지 않을 것이라고 보장할 수 없습니다. 나는 모든 것을 눈으로 했다. 일부 석탄은 사용 즉시 갈라졌습니다.
이제 석탄이 준비되었습니다. 가능한 한 저항이 적어야 합니다. 저항을 측정할 때 테스터의 바늘로 석탄을 만지지 말고 두 개의 연선을 가져와 석탄 측면에 기대어 놓고(막대 끝이 아니라 단순히 직경을 따라) 단단히 누릅니다. 손가락 (깨지지 않도록), 그림을 참조하십시오. 그림에서 분홍색 무정형 덩어리는 와이어 가닥을 쥐어 짜는 손가락입니다.
저항이 0.3-0.4옴(내 테스터 감도의 가장자리에 있음)이면 이것은 좋은 석탄입니다. 2-3Ω 이상이면 불량입니다(전력 밀도가 작습니다). 석탄이 실패하면 발사를 반복할 수 있습니다.
소성 후 방전 전극을 만듭니다. 이것은 은색 조각이다. 또는 철 - 2008길이는 석탄 길이의 두 배 또는 약간 짧습니다.
너비 - 두 개의 구멍 직경. 두께 - 0.5mm라고 가정합니다. 그것으로부터 외경이 다음과 같은 실린더를 굴려야합니다.
구멍 직경. 그러나 너비가 너무 작기 때문에 원통이 작동하지 않으며 세로 슬롯이 있는 원통이 됩니다. 이 슬롯은 열팽창을 보상하는 데 중요합니다. 원통을 가득 채우면 은이 가열되면 석탄이 터집니다.
석탄에 "실린더"를 삽입합니다. 구멍에 꼭 맞는지 확인해야 합니다. 여기에는 두 가지 측면이 있습니다. 힘이 너무 많으면 석탄이 부서지고, 힘이 너무 적으면 접촉이 충분하지 않습니다(이것은 매우 중요합니다). 그림을 참조하세요.
이 디자인은 바로 탄생한 것이 아니라 자코의 특허에 그려진 클램프보다 더 완벽한 것 같습니다. 첫째, 이러한 접촉을 통해 전류는 원통형 석탄의 반경을 따라 흐르지 않고 전기 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 둘째, 금속은 석탄보다 열팽창 계수가 높기 때문에 가열되면 석탄과 금속 클램프의 접촉이 약해집니다. 내 경우에는 접촉이 강화되거나 강도를 유지합니다. 셋째, 방전극이 은으로 만들어지지 않은 경우 탄소는 방전극을 산화로부터 보호합니다. 빨리 특허 내놔!
이제 저항을 다시 측정할 수 있으며, 극 중 하나가 전류가 흐르는 전극이 됩니다. 그건 그렇고, 내 테스터는 0.3 옴을 가지고 있습니다. 이것은 이미 감도 한계이므로 알려진 전압의 전류를 통과시키고 강도를 측정하는 것이 좋습니다.
급기
대용량 볼펜에서 강철 막대를 가져옵니다. 비어 있는 것이 좋습니다. 우리는 공이 있는 블록을 제거합니다. 남은 것은 철제 튜브뿐입니다. 남은 페이스트를 조심스럽게 제거합니다. (잘 하지 못해서 나중에 페이스트가 타서 생활이 어려워졌습니다.) 먼저 물로 한 다음 버너 불꽃에 막대를 여러 번 점화하는 것이 좋습니다. 잉크가 열분해되어 퍼낼 수 있는 탄소가 남게 됩니다.
다음으로, 이 막대(뜨거울 것임)를 물고기의 상태를 조절하는 데 사용되는 수족관 압축기에서 나오는 PVC 튜브와 연결하는 다른 튜브를 찾습니다. 모든 것이 상당히 단단해야 합니다. 가장 약한 압축기라도 너무 많은 공기를 생성하기 때문에 PVC 파이프에 조정 가능한 클램프를 설치했습니다. 이상적으로는 철관이 아닌 은관을 만들어야 하는데, 성공까지 했지만 은관과 PVC 라인의 긴밀한 연결을 확보하지 못했습니다. 중간 튜브는 (동일한 열 간격으로 인해) 공기를 강하게 오염시켰기 때문에 결국 나는 강철 막대에 정착했습니다. 물론 이 문제는 해결될 수 있지만, 시간과 노력을 들여 상황에 맞는 단말기를 선택하면 될 뿐입니다. 전체적으로 이 부분은 Jaco의 특허에서 크게 벗어났습니다. 나는 그가 그린 것과 같은 장미를 만들 수 없었다(그리고 솔직히 당시 나는 그 디자인을 잘 보지 못했다).
여기서는 짧은 여담을 만들고 Jaco가 자신의 요소 작업을 어떻게 오해했는지 논의할 가치가 있습니다. 분명히 산소는 공식 O2 + 4e- = 2O2- 또는 산소가 환원되어 무언가와 결합하는 유사한 반응에 따라 음극 어딘가에서 이온 형태로 변합니다. 즉, 공기, 전해질, 음극의 삼중 접촉을 확보하는 것이 중요하다. 이는 기포가 분무기의 금속 및 전해질과 접촉할 때 발생할 수 있습니다. 즉, 분무기의 모든 구멍의 총 둘레가 클수록 전류는 더 커야 합니다. 또한 가장자리가 경사진 컵을 만들면 삼중 접촉 표면도 증가할 수 있습니다(그림 참조).
또 다른 옵션은 음극에서 용존 산소가 감소되는 경우입니다. 이 경우 삼중 접촉 면적은 특별히 중요하지 않지만 기포의 표면적을 최대화하면 산소 용해 속도가 빨라집니다. 사실, 이 경우 전기화학 반응(전기 회로를 "우회") 없이 용존 산소가 석탄을 직접 산화시키지 않는 이유는 명확하지 않습니다. 분명히 이 경우 컵 재료의 촉매 특성이 중요합니다. 좋아요, 그게 전부 가사예요. 어쨌든 스트림을 작은 거품으로 나누어야 합니다. 이를 위해 내가 시도한 시도는 특별히 성공하지 못했습니다.
그러기 위해서는 얇은 구멍을 만들어야 했고, 이로 인해 많은 문제가 발생했습니다.
첫째, 얇은 구멍은 빨리 막히게 됩니다. 왜냐하면... 철이 부식되고 녹과 석탄 잔여물(한때 펜 페이스트가 있었다는 것을 기억하십시오)이 막대에서 떨어져 구멍을 막습니다.
둘째, 구멍의 크기가 동일하지 않으며 모든 구멍에서 동시에 공기가 흐르게 하는 것이 어렵습니다.
셋째, 두 개의 구멍이 근처에 있으면 거품이 터지기 전에 병합되는 경향이 좋지 않습니다.
넷째, 압축기가 공기를 고르게 공급하지 못하는데, 이는 기포의 크기에도 어느 정도 영향을 미칩니다(한 번 누르면 기포가 하나가 튀어나오는 것으로 보입니다). 이 모든 것은 투명한 병에 물을 붓고 그 안에 있는 분무기를 테스트하면 쉽게 관찰할 수 있습니다. 물론 알칼리는 점도와 표면장력 계수가 다르기 때문에 무작위로 행동해야 합니다. 이러한 문제를 결코 극복하지 못했고, 게다가 열간극으로 인한 공기 누출 문제도 있었습니다. 이러한 누출로 인해 표면 장력을 극복해야 하므로 분무기가 작동을 시작할 수 없습니다. 여기서 클램프의 단점이 완전히 드러났습니다. 아무리 조여도 가열되면 느슨해집니다. 결과적으로 나는 거품이 한 번만 나오는 간단한 볼펜 분무기로 전환했습니다. 분명히 정상적인 방법으로 이것을 수행하려면 누출을 조심스럽게 제거하고 상당한 압력 (수족관 압축기에 의해 생성되는 것보다 더 높음)과 작은 구멍을 통해 공기를 공급해야합니다.
이 부분 디자인은 솔직히 별로네요...
집회
모두. 모두 함께 정리해 보겠습니다. 클램프에 모든 것을 설치해야 합니다.
1. 지지구조물을 통한 단락이 발생하지 않았다.
2. 석탄이 튜브 송풍 공기나 벽에 닿지 않았습니다.
컵. 간격이 작고, 클램프가 약하고, 요소가 작동할 때 알칼리가 콸콸 소리를 내기 때문에 이는 어려울 것입니다. 또한 필요하지 않은 모든 것을 이동시키는 아르키메데스 힘과 표면 장력이 작용하여 석탄을 다른 물체로 끌어당깁니다. 은은 가열하면 부드러워집니다. 그래서 결국 방전극 끝부분을 펜치로 잡고 석탄을 잡았습니다. 별로 였어. 정상적인 작동을 위해서는 여전히 뚜껑을 만들어야합니다 (분명히 도자기에서만 가능합니다. 점토는 알칼리에 담그고 강도를 잃습니다. 아마도 구운 점토를 사용할 수 있습니다). 이 뚜껑을 만드는 방법에 대한 아이디어는 Jaco의 특허에 있습니다. 가장 중요한 것은 석탄을 아주 잘 잡아야 한다는 것입니다. 왜냐하면... 약간의 정렬 불량에도 컵 바닥에 닿게 됩니다. 그러기 위해서는 높이가 높아야 합니다. 나는 그런 도자기 뚜껑을 찾지 못했고 점토로 세라믹 뚜껑을 만들지도 못했습니다. (내가 점토로 만들려고 한 모든 것이 빨리 깨져서 어떻게 든 잘못 발사 한 것 같습니다.) 유일한 작은 비결은 금속 덮개와 열악한 연소 점토 층을 단열재로 사용하는 것입니다. 이 길 역시 쉽지 않습니다.
한마디로 내 요소 디자인도 쓸모가 없었다.
전극에서 떨어져 알칼리에 빠질 수 있는 석탄 조각을 얻을 수 있는 도구를 준비하는 것도 좋은 방법이다. 석탄 조각이 떨어져서 알칼리에 떨어지면 단락이 발생합니다. 그러한 도구로는 구부러진 강철 클립이 있었고 펜치로 고정했습니다. 우리는 와이어를 연결합니다. 하나는 핸들에, 다른 하나는 콘센트 전극에 연결합니다. 두 개의 금속판을 사용하고 나사로 고정했지만 납땜할 수 있습니다(모두 어린이용 금속 구성 세트에 있음). 가장 중요한 것은 전체 구조가 저전압에서 작동하고 모든 연결이 잘 이루어져야 한다는 점을 이해하는 것입니다. 전극 사이에 전해질이 없을 때 저항을 측정합니다. 저항이 높은지 확인합니다(최소 20Ω). 우리는 모든 연결의 저항을 측정하고 작은지 확인합니다. 우리는 부하로 회로를 조립합니다. 예를 들어 1Ω 저항과 전류계가 직렬로 연결되어 있습니다. 테스터는 암페어 단위 측정 모드에서만 전류계 저항이 낮으므로 이를 미리 알아내는 것이 좋습니다. 암페어 단위 변경 모드를 켜거나(전류는 0.001~0.4A) 직렬 연결된 전류계 대신 병렬로 전압계를 켤 수 있습니다(전압은 0.2~0.9V). 개방전압, 단락전류, 1ohm 부하 전류를 측정하기 위해서는 실험 중 조건을 변경할 수 있는 기능을 제공하는 것이 바람직합니다. 최대 전력이 달성되는 저항을 찾기 위해 저항도 0.5ohm, 1ohm 및 2ohm으로 변경할 수 있으면 더 좋습니다.
우리는 수족관에서 압축기를 켜고 공기가 거의 흐르지 않도록 클램프를 조입니다 (그런데 공급 파이프 라인의 기능은 물에 담가서 확인해야합니다. 알칼리의 밀도는 2.7이므로 적절한 깊이까지 담가야 하며, 완전히 조일 필요는 없으며, 가장 중요한 점은 그러한 깊이에서도 튜브 끝에서 무언가가 콸콸 소리를 내는 것입니다.
예방 대책
다음은 용융된 알칼리를 다루는 작업입니다. 알칼리 용융물이 무엇인지 어떻게 설명할 수 있나요? 눈에 비누가 들어갔나요? 불쾌한 일이지, 그렇지? 따라서 녹은 NaOH도 비누이며 400도까지만 가열되고 수백 배 더 부식성이 높습니다.
용융된 알칼리로 작업할 때 보호 조치가 엄격히 요구됩니다!
가장 먼저, 좋은 보안경은 꼭 필요합니다. 저는 근시여서 안경 두 개를 착용했습니다. 위에는 플라스틱 보안경, 아래에는 유리였습니다. 보안경은 전면뿐만 아니라 측면에서도 물이 튀는 것을 방지해야 합니다. 나는 그런 탄약 속에서 안전함을 느꼈다. 보안경에도 불구하고 얼굴을 장치에 가까이 가져가는 것은 권장되지 않습니다.
눈 외에도 손도 보호해야 합니다. 모든 일을 매우 신중하게 했기 때문에 결국 요령을 터득하고 티셔츠를 입고 작업하게 되었습니다. 때때로 손에 떨어지는 작은 알칼리 얼룩으로 인해 어떤 물질을 다루고 있는지 며칠 동안 잊을 수없는 화상을 입히기 때문에 이것은 유용합니다.
하지만 당연히 내 손에는 장갑이 끼어있었습니다. 첫째, 고무 가정용 고무 (가장 얇은 것이 아님)와 그 위에 손바닥 뒤쪽에 튀어 나온 여드름 헝겊 여드름이 있습니다. 뜨거운 물건을 다룰 수 있도록 물을 적셨습니다. 이러한 장갑을 사용하면 손이 어느 정도 보호됩니다. 하지만 외부 장갑이 너무 젖지 않도록 해야 합니다. 전해질에 떨어지는 물 한 방울은 즉시 끓고, 전해질은 아주 잘 튀깁니다. 이런 일이 발생하면 (나에게 세 번이나 이런 일이 발생하면) 호흡기 시스템에 문제가 발생합니다. 이런 경우에는 흡입을 완료하지 않은 채 즉시 숨을 참고(카약 연습은 이러한 상황에서 당황하지 않도록 도와줍니다) 최대한 빨리 주방에서 나왔습니다.
일반적으로 호흡기 시스템을 보호하려면 실험 중에 환기가 잘 되어야 합니다. 내 경우에는 단지 초안이었습니다(여름이었습니다). 그러나 이상적으로는 후드가 있거나 야외에 있어야 합니다.
잿물이 튀는 것은 불가피하므로 컵 바로 근처에 있는 모든 것이 어느 정도 잿물로 덮여 있습니다. 맨손으로 다룰 경우 화상을 입을 수 있습니다. 실험을 마친 후에는 장갑을 포함해 모든 것을 씻어야 합니다.
화상이 심한 경우에는 알칼리를 중화시키기 위해 항상 물이 담긴 용기와 희석한 식초가 담긴 용기를 근처에 두었습니다. 다행스럽게도 식초는 결코 유용하지 않았으며 전혀 사용할 가치가 있는지 말할 수 없습니다. 화상을 입은 경우에는 즉시 다량의 물로 알칼리를 씻어내십시오. 화상에 대한 민간 요법-소변도 있습니다. 도움도 되는 것 같습니다.
실제로 요소를 사용하여 작업
마른 NaOH를 유리잔에 붓습니다(파이프 청소를 위해 Digger를 구입했습니다). MgO와 CaCO3(치약 또는 분필) 또는 MgCO3(친구에게서 MgO를 받았음)와 같은 기타 성분을 추가할 수 있습니다. 버너에 불을 붙여 가열해 보세요. NaOH는 흡습성이 매우 높기 때문에 이 작업을 즉시 수행해야 합니다(NaOH가 담긴 백을 단단히 닫아야 함). 유리의 모든 면이 열로 둘러싸여 있는지 확인하는 것이 좋습니다. 전류는 온도에 따라 크게 달라집니다. 즉, 즉석에서 연소실을 만들고 버너 불꽃을 그 안으로 향하게 하는 것입니다(또한 버너의 카트리지가 폭발하지 않는지 확인해야 합니다. 제 생각에는 이 버너는 이러한 관점에서 볼 때 상당히 형편없게 만들어졌습니다. 이를 위해서는 뜨거운 가스가 캐니스터에 떨어지지 않아야 하며 "거꾸로"가 아닌 정상적인 위치에 유지하는 것이 더 좋습니다.)
때로는 위에서 버너의 불꽃을 가져오는 것이 편리한 것으로 판명되었지만 이는 모든 것이 녹은 후입니다. 그런 다음 방전관, 방전 전극(및 이를 통과하는 탄소) 및 기포가 가장 많은 유리 상단이 동시에 가열됩니다. 내 기억이 정확하다면 이런 식으로 가장 큰 결과를 얻었습니다.
일정 시간이 지나면 알칼리가 녹기 시작하고 그 양이 감소합니다. 유리의 높이가 2/3가 되도록 분말을 추가해야 합니다(모세관 현상과 튀는 현상으로 인해 알칼리가 흘러나갑니다). 공기 공급 파이프가 제대로 작동하지 않았습니다 (열팽창으로 인해 틈과 누출이 증가하고 열 제거가 잘되어 내부의 알칼리가 굳어 질 수 있습니다). 때로는 공기의 흐름이 완전히 중단되었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 다음을 수행했습니다.
1. 불기 (일시적으로 공기 공급량이 완만하게 증가함)
2. 일어나세요. (압력은 낮아지고 공기는 알칼리 기둥을
파이프)
3. 데우기(컵에서 꺼내어 분무기 내부의 알칼리가 녹도록 버너로 가열).
일반적으로 요소는 매우 뜨거운 온도(알칼리가 빛나기 시작함)에서 잘 작동하기 시작합니다. 동시에 거품이 흐르기 시작하고 (이것은 CO2입니다) 깜박임과 함께 터지는 소리가 들립니다 (이것이 수소이거나 CO가 연소 중입니다. 아직 이해가 안 됩니다).
1.1Ω의 부하 저항으로 요소당 최대 0.025W/cm2 또는 총 0.176W의 전력을 달성할 수 있었습니다. 동시에 전류계로 전류를 측정했습니다. 부하 전체의 전압 강하를 측정하는 것도 가능했습니다.
전해질 변성
요소에서 나쁜 부반응이 발생합니다.
NaOH+CO2=Na2CO3+H2O.
즉, 일정 시간(수십 분)이 지나면 모든 것이 굳어집니다(소다의 녹는 점-기억은 안 나지만 약 800). 한동안은 알칼리를 더 추가하면 이 문제를 해결할 수 있지만 결국에는 문제가 되지 않습니다. 전해질이 굳어지기 때문입니다. 이 문제를 해결하는 방법에 대해서는 UTE에 대한 페이지부터 시작하여 이 사이트의 다른 페이지를 참조하세요. 일반적으로 Jaco가 특허에서 쓴 것처럼 이 문제에도 불구하고 NaOH를 사용할 수 있습니다. Na2CO3에서 NaOH를 생산하는 방법이 있기 때문입니다. 예를 들어 Na2CO3+CaOH=2NaOH+CaCO3 반응에 따라 생석회를 치환하면 CaCO3가 소성되고 CaO가 다시 얻어집니다. 사실, 이 방법은 에너지 집약적이며 요소의 전반적인 효율성이 크게 떨어지고 복잡성이 증가합니다. 따라서 SARA에서 발견된 안정적인 전해질 조성을 찾는 것이 여전히 필요하다고 생각합니다. 이는 미국 특허청 데이터베이스(http://www.uspto.gov)에서 SARA 특허 출원을 찾아 수행할 수 있는 가능성이 높습니다. 특히 시간이 지남에 따라 이미 특허가 발행되었을 수 있기 때문입니다. 그러나 나는 아직 그것에 대해 이해하지 못했습니다. 사실, 이 아이디어 자체는 이러한 자료를 준비하는 동안에만 나타났습니다. 분명히 곧 할 것 같아요.
결과, 생각 및 결론
여기서 나는 조금 반복할 수 있다. 은으로 시작하는 것이 아니라 철로 바로 시작할 수 있습니다. 치터를 이용하려고 했을 때
스테인레스 스틸로 만들어서 나에게는 좋지 않았습니다. 이제 나는 이것의 첫 번째 이유가 낮은 온도와 전극 사이의 큰 간격이라는 것을 이해합니다. 그의 기사에서 Jacques는 철의 성능 저하가 기름이 철에 연소되고 두 번째 탄소 전극이 형성되기 때문에 철을 아주 조심스럽게 기름 흔적에서 청소하고 철을 사용해야한다고 썼습니다.
저탄소. 그럴지도 모르지만, 나는 여전히 더 중요한 또 다른 이유가 있다고 생각합니다. 철은 가변 원자가의 원소입니다. 이는 용해되어 "단락 회로"를 형성합니다. 이는 색상 변경에서도 지원됩니다. 은을 사용하면 전해질의 색상이 변하지 않습니다(은은 용융된 알칼리의 작용에 가장 강한 금속입니다). ~에
철을 사용하면 전해질이 갈색으로 변합니다. 은을 사용하는 경우 개방 회로 전압은 0.9V 이상에 도달합니다. 다리미를 사용하면 훨씬 적습니다 (정확히 기억 나지는 않지만 0.6V 이하) 모든 것이 잘 작동하려면 어떤 종류의 다리미를 사용해야하는지에 대해서는 다른 페이지를 참조하십시오. SARA가 쓴 수증기에 대해 좀 더 자세히 설명합니다. 한편으로는 (이론적으로) 모든 사람에게 좋습니다. 철이 용액으로 들어가는 것을 방지하고(알칼리 금속 철산염과 뜨거운 물의 분해 반응은 Na2FeO4+H2O=2NaOH+Fe2O3와 같이 알려져 있음) 이동하는 것처럼 보입니다. 나쁜 부반응의 평형. 나는 온라인 프로그램 F*A*C*T(http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php)를 사용하여 NaOH+CO2=Na2CO3+H2O 반응의 열역학을 찾아보았습니다. 모든 온도에서, 그것의 평형은 오른쪽으로 매우 강하게 이동합니다. 즉, 물은 산화나트륨과의 화합물에서 이산화탄소를 크게 대체하지 않을 것입니다. NaOH-Na2CO3 합금에서 상황이 변하거나, 일종의 수용액이 형성될 가능성도 있는데 어떻게 알아내는지는 모르겠습니다. 이 경우에는 실천이 진실의 기준이라고 생각합니다.
증기 실험을 수행할 때 발생할 수 있는 가장 중요한 것은 응축입니다. 물이 공기 본관으로 들어가는 지점에서 어느 벽의 온도가 100C 아래로 떨어지면 물이 응축될 수 있으며 공기 흐름과 함께 물방울 형태로 알칼리에 들어갈 수 있습니다. 이는 매우 위험하므로 어떤 희생을 치르더라도 피해야 합니다. 특히 위험한 점은 벽의 온도를 측정하기가 쉽지 않다는 것입니다. 나 자신은 Steam으로 아무것도 시도하지 않았습니다.
물론 일반적으로 아파트가 아닌 적어도 시골집에서 그러한 작업을 수행하고 즉시 더 큰 요소를 만들어야합니다. 이를 위해서는 당연히 더 큰 소성 용광로, 요소 가열을 위한 더 큰 "스토브" 및 더 많은 출발 재료가 필요합니다. 그러나 모든 세부 사항을 다루는 것이 훨씬 더 편리할 것입니다. 이것은 뚜껑이 없었던 요소 자체의 구조에 특히 해당됩니다. 작은 뚜껑을 만드는 것보다 큰 뚜껑을 만드는 것이 훨씬 쉽습니다.
은에 대해서. 물론 은이 그렇게 싸지는 않습니다. 하지만 은 전극을 충분히 얇게 만들면 은 셀이 비용 효율적이 될 수 있습니다. 예를 들어 0.1mm 두께의 전극을 만들었다고 가정해 보겠습니다. 은의 가소성과 전성을 고려하면 이 작업은 쉬울 것입니다(은은 롤러를 통해 매우 얇은 포일로 끌어당길 수 있으며 심지어 이렇게 하고 싶었지만 롤러가 없었습니다). 밀도가 약 10g/cm^3인 경우 1입방센티미터의 은 가격은 약 150루블입니다. 전극 표면은 100제곱센티미터가 됩니다. 납작한 석탄 두 개를 가져다가 그 사이에 은판을 놓으면 200cm^2를 얻을 수 있습니다. 내가 달성한 0.025W/cm^2의 특정 전력으로 전력은 5와트, 즉 와트당 30루블, 또는 킬로와트당 30,000루블입니다. 설계의 단순성으로 인해 킬로와트 요소의 나머지 구성 요소(스토브, 공기 펌프)가 훨씬 저렴해질 것으로 예상할 수 있습니다. 몸체는 도자기로 만들 수 있으며 알칼리 용융에 상대적으로 강합니다. 저전력 가솔린 발전소와 비교해도 결과는 그리 비싸지 않을 것입니다. 그리고 풍차와 열전 발전기를 갖춘 태양광 패널은 훨씬 뒤쳐져 있습니다. 가격을 더 낮추려면 은도금 구리로 용기를 만들어 볼 수 있습니다. 이 경우 은층은 100~1000배 더 얇아집니다. 사실, 백동 스푼을 사용한 실험은 실패로 끝났기 때문에 은 코팅이 얼마나 내구성이 있을지 불분명합니다. 즉, 은을 사용해도 꽤 좋은 전망이 열립니다. 여기서 실패할 수 있는 유일한 것은 은이 충분히 강하지 않은 경우입니다.
케이스 소재에 대해 자세히 알아보세요. NaOH에 공기를 불어 넣을 때 나타나는 Na2O2와 같은 과산화나트륨은 요소 작동 중에 매우 중요하다고합니다. 고온에서 과산화물은 거의 모든 물질을 부식시킵니다. 용융된 과산화나트륨을 함유한 다양한 재료로 만든 도가니를 사용하여 중량 손실을 측정하기 위한 실험을 수행했습니다. 지르코늄이 가장 저항력이 강한 것으로 나타났으며, 철, 니켈, 도자기 순이었습니다. 은메달은 상위 4위 안에 들지 못했습니다. 안타깝게도 은이 얼마나 안정적인지 정확히 기억이 나지 않습니다. 또한 Al2O3와 MgO의 우수한 저항성에 대해서도 기록되었습니다. 그러나 철이 차지하는 2위는 낙관론을 불러일으킨다.
실제로 그게 전부입니다.
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집에서 DIY 연료전지
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산업 성과에 힘을 실어주는 기존 배터리와 축전지가 부족해지면서 대체 전원 문제가 매우 심각해졌습니다. 연료전지는 가장 유망한 분야이다. 작동 원리는 1839년에 물의 전기분해를 변화시켜 전기를 생성한 William Grove에 의해 발견되었습니다.
연료전지란 무엇입니까?
비디오: 다큐멘터리, 운송용 연료전지: 과거, 현재, 미래
연료전지는 자동차 제조업체의 관심을 끌고 있으며, 우주선 설계자도 관심을 갖고 있습니다. 1965년에는 미국이 우주로 발사한 Gemini 5 우주선과 나중에 Apollo에서 테스트하기도 했습니다. 화석 연료의 연소 중에 발생하는 환경 오염 및 온실 가스 배출 증가와 관련된 문제가 있는 오늘날에도 여전히 연료 전지 연구에 수백만 달러가 투자되고 있으며, 그 매장량도 끝이 없습니다.
흔히 전기화학 발전기라고 불리는 연료전지는 아래 설명된 방식으로 작동합니다.
축전지 및 배터리와 마찬가지로 갈바니 요소이지만 활성 물질이 별도로 저장된다는 차이점이 있습니다. 사용되는 동안 전극에 공급됩니다. 천연 연료 또는 그로부터 얻은 물질은 음극에서 연소되며, 기체(예: 수소, 일산화탄소) 또는 알코올과 같은 액체일 수 있습니다. 산소는 일반적으로 양극에서 반응합니다.
그러나 겉보기에 단순해 보이는 작동 원리를 현실로 옮기는 것은 쉽지 않습니다.
DIY 연료전지
불행하게도 우리는 이 연료 요소가 어떻게 생겼는지에 대한 사진을 가지고 있지 않습니다. 우리는 여러분의 상상력에 의존합니다.
학교 연구실에서도 저전력 연료전지를 직접 손으로 만들 수 있습니다. 연료 전지의 "연료"역할을 할 오래된 방독면, 플렉시 유리 여러 조각, 알칼리 및 에틸 알코올 수용액 (간단히 보드카)을 비축해야합니다.
우선, 연료 전지용 하우징이 필요합니다. 이 하우징은 최소 5mm 두께의 플렉시글라스로 만드는 것이 가장 좋습니다. 내부 칸막이 (내부에 5 개의 구획이 있음)를 3cm로 조금 더 얇게 만들 수 있습니다 플렉시 유리를 접착하려면 다음 구성의 접착제를 사용하십시오 : 6g의 플렉시 유리 부스러기를 100g의 클로로포름 또는 디클로로 에탄에 용해시킵니다 (작업이 완료되었습니다) 후드 아래).
이제 외벽에 구멍을 뚫고 고무 마개를 통해 직경 5-6cm의 유리 배수관을 삽입해야합니다.
주기율표에서 가장 활성이 높은 금속은 왼쪽 하단에 있고, 활성이 높은 준금속은 표의 오른쪽 상단에 있다는 것을 누구나 알고 있습니다. 전자를 기증하는 능력은 위에서 아래로, 오른쪽에서 왼쪽으로 증가합니다. 특정 조건에서 금속이나 준금속으로 나타날 수 있는 원소는 표 중앙에 있습니다.
이제 우리는 가스 마스크의 활성탄을 전극 역할을 할 두 번째 및 네 번째 구획 (첫 번째 칸막이와 두 번째, 세 번째와 네 번째 칸 사이)에 붓습니다. 구멍을 통해 석탄이 쏟아지는 것을 방지하려면 나일론 천에 넣을 수 있습니다 (여성용 나일론 스타킹이 적합합니다).
연료는 첫 번째 챔버에서 순환하고 다섯 번째 챔버에는 산소 공급 장치인 공기가 있어야 합니다. 전극 사이에는 전해질이 있으며 공기 챔버로 누출되는 것을 방지하려면 충전하기 전에 휘발유에 파라핀 용액 (파라핀 2g 대 휘발유 반 컵의 비율)을 담가야합니다. 공기 전해질을 위한 탄소가 있는 네 번째 챔버. 석탄 층에 와이어가 납땜되는 구리판을 (약간 눌러) 배치해야합니다. 이를 통해 전류가 전극에서 전환됩니다.
남은 것은 요소를 충전하는 것뿐입니다. 이를 위해서는 물과 1:1로 희석해야 하는 보드카가 필요합니다. 그런 다음 가성 칼륨 300~350g을 조심스럽게 추가합니다. 전해질의 경우 수산화칼륨 70g을 물 200g에 녹인다.
연료전지를 테스트할 준비가 되었습니다. 이제 첫 번째 챔버에는 연료를, 세 번째 챔버에는 전해질을 동시에 주입해야 합니다. 전극에 연결된 전압계는 07V에서 0.9까지 표시되어야 합니다. 요소의 지속적인 작동을 보장하려면 사용한 연료를 제거하고(유리에 배출) 새 연료를 추가해야 합니다(고무 튜브를 통해). 공급 속도는 튜브를 압착하여 조정됩니다. 이것은 실험실 조건에서 연료 전지의 작동 모습이며, 그 출력은 당연히 낮습니다.
더 큰 힘을 보장하기 위해 과학자들은 이 문제를 오랫동안 연구해 왔습니다. 개발 중인 활성강에는 메탄올과 에탄올 연료전지가 들어있습니다. 그러나 안타깝게도 아직까지 실천에 옮겨지지는 않았습니다.
대체 동력원으로 연료전지를 선택한 이유
연료전지는 수소 연소의 최종 생성물이 물이기 때문에 대체 동력원으로 선택되었습니다. 유일한 문제는 수소를 생산하는 저렴하고 효율적인 방법을 찾는 것입니다. 수소발생기와 연료전지 개발에 투자한 막대한 자금이 결실을 맺을 수밖에 없기 때문에 기술적 혁신과 일상생활에서의 실제 활용은 시간문제일 뿐이다.
이미 오늘날 자동차 산업의 괴물들인 General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard는 출력이 50kW에 달하는 연료 전지로 작동하는 버스와 자동차를 시연하고 있습니다. 그러나 안전성, 신뢰성, 비용과 관련된 문제는 아직 해결되지 않았습니다. 이미 언급한 바와 같이 배터리 및 축전지와 같은 전통적인 전원과 달리 이 경우 산화제와 연료는 외부에서 공급되며 연료 전지는 연료를 연소하고 방출된 에너지를 전기로 변환하는 지속적인 반응의 중개자일 뿐입니다. "연소"는 디젤 발전기처럼 요소가 부하에 전류를 공급하지만 발전기와 디젤 엔진이 없고 소음, 연기 및 과열이 없는 경우에만 발생합니다. 동시에 중간 메커니즘이 없기 때문에 효율성이 훨씬 높습니다.
연료전지의 소형화와 출력 증대에 도움이 될 나노기술과 나노물질의 활용에 큰 기대가 모아지고 있습니다. 초고효율 촉매가 탄생했다는 보고도 있었고, 멤브레인이 없는 연료전지 설계도 나왔다. 이 경우 연료(예: 메탄)가 산화제와 함께 요소에 공급됩니다. 흥미로운 해결책은 공기 중에 용해된 산소를 산화제로 사용하고, 오염된 물에 축적된 유기 불순물을 연료로 사용하는 것입니다. 이것은 소위 바이오 연료 요소입니다.
전문가들에 따르면 연료전지는 앞으로 몇 년 안에 대중 시장에 진출할 수 있다고 합니다.출판됨
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설명:
이 기사에서는 디자인, 분류, 장단점, 적용 범위, 효율성, 생성 이력 및 사용에 대한 현대적인 전망을 더 자세히 조사합니다.
건물에 전력을 공급하기 위해 연료 전지를 사용
1 부
이 기사에서는 연료 전지의 작동 원리, 설계, 분류, 장단점, 적용 범위, 효율성, 생성 이력 및 현대적인 사용 전망에 대해 자세히 조사합니다. 기사의 두 번째 부분에서 ABOK 매거진 다음 호에 게재될 에서는 다양한 종류의 연료전지를 열원 및 전력 공급원(또는 전력 공급원)으로 사용한 시설의 사례를 소개합니다.
물은 압축된 형태와 액화된 형태 모두 양방향으로 저장될 수 있지만, 이 역시 진창이며, 둘 다 심각한 기술적 문제로 인해 발생합니다. 이는 액화로 인해 압력이 높고 온도가 극도로 낮기 때문입니다. 이러한 이유로 예를 들어 물 연료 디스펜서 스탠드는 우리가 익숙했던 것과는 다르게 설계되어야 하며, 충전 라인의 끝은 로봇 팔을 자동차의 밸브에 연결합니다. 연결하고 채우는 작업은 매우 위험하므로 사람이 없는 상태에서 수행하는 것이 가장 좋습니다.
소개
연료전지는 에너지를 생성하는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있으며 내구성이 뛰어나고 환경 친화적인 방법입니다.
처음에는 우주 산업에서만 사용되었던 연료 전지는 이제 고정식 발전소, 건물용 열 및 전원 공급 장치, 차량 엔진, 노트북 및 휴대폰용 전원 공급 장치 등 다양한 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이러한 장치 중 일부는 실험실 프로토타입이고 일부는 사전 생산 테스트를 거치거나 데모 목적으로 사용되지만 많은 모델은 대량 생산되어 상업 프로젝트에 사용됩니다.
이러한 장치는 뮌헨 공항에서 시험 운행 중입니다. 개인 차량과 버스를 타고 이곳에서 운전해 보세요. 높은 킬로그램의 마일리지는 멋지지만 실제로는 비용이 몇 킬로그램인지, 강력하고 단열된 연료 탱크가 차에서 얼마나 많은 공간을 차지하는지만큼 중요합니다. 물과 관련된 몇 가지 다른 문제: - 복잡한 공기욕조 만들기 - 차고, 자동차 수리점 등에 대한 문제 - 모든 병목 현상, 나사 및 밸브를 관통하는 작은 분자 덕분에 압축 및 액화에는 상당한 에너지 소비가 필요합니다.
연료전지(전기화학발전기)는 고체, 액체, 기체 연료를 연소하는 기존 기술과 달리 연료(수소)의 화학적 에너지를 전기화학 반응을 통해 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료의 직접적인 전기화학적 전환은 운전 과정에서 최소한의 오염물질이 발생하고 강한 소음이나 진동이 없기 때문에 환경적 관점에서 매우 효과적이고 매력적입니다.
특별한 압력, 압축 및 일련의 필수 안전 조치는 경량의 비가압 용기를 사용하여 생산되는 액체 탄화수소 연료에 비해 물 끝에서의 평가에서 매우 좋은 가치를 갖습니다. 그러므로 아마도 매우 긴급한 상황이 그의 진정으로 기분 좋은 기쁨에 기여할 수 있습니다.
가까운 미래에도 자동차 제조업체들은 여전히 더 저렴하고 상대적으로 덜 위험한 액체 연료를 찾고 있습니다. 핫멜트는 비교적 쉽게 추출될 수 있는 메탄올일 수 있다. 주요이자 유일한 문제는 독성입니다. 반면에 물과 마찬가지로 메탄은 내연 기관과 특정 유형의 연료 체인 모두에서 사용될 수 있습니다. 또한 배기가스 배출 측면을 포함하여 내연기관에 몇 가지 장점이 있습니다.
실용적인 관점에서 보면 연료전지는 기존의 볼타전지와 유사하다. 차이점은 배터리가 처음에 충전된다는 것입니다. 즉, "연료"로 채워져 있습니다. 작동 중에는 "연료"가 소모되고 배터리가 방전됩니다. 연료전지는 배터리와 달리 외부에서 공급되는 연료를 이용해 전기에너지를 생산한다(그림 1).
이런 점에서 물은 상대적으로 예상치 못한, 그러나 유능한 경쟁으로 떠오를 수 있습니다. 연료전지는 전기화학적 반응에 의해 생성된 전류원이다. 우리가 알고 있는 모든 배터리와는 달리 지속적으로 시약을 받고 폐기물을 배출하므로 배터리와는 달리 사실상 무진장합니다. 다양한 유형이 있지만 다음 수소 연료 전지 다이어그램은 수소 연료 전지의 작동 방식을 이해하는 데 도움이 됩니다.
연료는 양극으로 공급되어 산화됩니다. O2 산소는 음극으로 들어가 환원될 수 있습니다.
석탄을 직접 태우는 연료전지 개발도 가능했다. 석탄을 직접 전기로 변환하는 연료전지를 테스트할 수 있었던 로렌스 리버모어 연구소 과학자들의 연구는 에너지 개발에 있어 매우 중요한 이정표가 될 수 있으므로 여기서는 몇 마디만 마치고 넘어가겠습니다. 최대 1 미크론 크기의 석탄 토양은 750-850 ° C에서 용융 리튬, 나트륨 또는 탄산 칼륨과 혼합됩니다.
전기 에너지를 생산하려면 순수한 수소뿐만 아니라 천연가스, 암모니아, 메탄올, 가솔린과 같은 다른 수소 함유 원료도 사용할 수 있습니다. 일반 공기는 반응에도 필요한 산소 공급원으로 사용됩니다.
순수한 수소를 연료로 사용하는 경우, 반응 생성물은 전기 에너지 외에 열과 물(또는 수증기)입니다. 즉, 대기 오염을 유발하거나 온실 효과를 유발하는 가스가 대기 중으로 방출되지 않습니다. 천연가스 등 수소를 함유한 공급원료를 연료로 사용하면 탄소, 질소산화물 등 다른 가스가 반응의 부산물이 되지만, 같은 양의 천연가스를 연소할 때보다 그 양은 훨씬 적다. 가스.
그런 다음 위의 다이어그램에 따라 모든 것이 표준 방식으로 수행됩니다. 공기 중의 산소가 탄소와 반응하여 이산화탄소가 되고, 에너지는 전기의 형태로 방출됩니다. 우리는 여러 가지 유형의 연료 전지를 알고 있지만 모두 설명된 원리에 따라 작동합니다. 이것은 일종의 제어 연소입니다. 수소와 산소를 혼합하면 폭발하여 물을 형성하는 핵분열 혼합물이 생성됩니다. 에너지는 열의 형태로 방출됩니다. 수소 연료 전지도 동일한 반응을 하며 생성물도 물이지만 에너지는 전기로 방출됩니다.
연료를 화학적으로 변환하여 수소를 생산하는 과정을 개질이라 하고, 이에 상응하는 장치를 개질기라고 합니다.
연료전지의 장점과 단점
연료전지는 열역학적 에너지 효율 제한이 없기 때문에 내연기관보다 에너지 효율적입니다. 연료전지의 효율은 50%, 내연기관의 효율은 12~15%, 증기터빈발전소의 효율은 40%를 넘지 않는다. 열과 물을 이용하면 연료전지의 효율이 더욱 높아진다.
연료전지의 가장 큰 장점은 중간 화력발전소 없이 연료로부터 어떤 방식으로든 직접 전기를 생산하므로 배출량이 적고 효율이 높다는 점입니다. 이는 70%에 도달하며, 표준적으로 석탄을 전기로 전환하는 비율은 40%입니다. 발전소 대신 거대한 연료전지를 건설하는 것은 어떨까요? 연료전지는 고온에서 작동하는 다소 복잡한 장치이므로 전극 재료와 전해질 자체에 대한 요구 사항이 높습니다.
예를 들어 내연기관과 달리 연료전지의 효율은 최대 출력으로 작동하지 않을 때에도 매우 높은 수준을 유지합니다. 또한 연료전지의 출력은 단순히 개별 장치를 추가함으로써 증가할 수 있지만 효율성은 변하지 않습니다. 즉, 대규모 설치는 소규모 설치와 마찬가지로 효율적입니다. 이러한 상황으로 인해 고객의 희망에 따라 장비 구성을 매우 유연하게 선택할 수 있으며 궁극적으로 장비 비용이 절감됩니다.
전해질에는 예를 들어 이온 교환막이나 전도성 세라믹 재료, 다소 고가의 재료, 조직을 변경하는 데 매우 공격적인 인산, 수산화나트륨 또는 용융 알칼리 금속 탄산염이 포함됩니다. 20세기 초기의 열광 이후 우주 프로그램 밖에서 연료전지가 더 이상 중요하지 않게 된 것은 바로 이러한 어려움 때문이었습니다.
그러다가 당시 기술의 능력을 넘어서는 폭넓은 사용이 가능하다는 것이 분명해졌을 때 관심이 다시 줄어들었습니다. 그러나 지난 30년 동안 개발은 멈추지 않았고, 새로운 소재와 컨셉이 등장했으며, 우선 순위도 바뀌었습니다. 이제 우리는 그때보다 환경 보호에 훨씬 더 많은 관심을 기울이고 있습니다. 따라서 우리는 연료전지의 르네상스를 경험하고 있으며 연료전지는 점점 더 많은 분야에서 사용되고 있습니다. 전 세계적으로 이러한 장치가 200개 있습니다. 예를 들어 병원이나 군사시설 등 네트워크 장애로 인해 심각한 문제가 발생할 수 있는 경우 백업 장치 역할을 합니다.
연료전지의 중요한 장점은 환경 친화성이다. 연료전지 배출량은 매우 낮아 미국 일부 지역에서는 연료전지 작동에 정부 대기질 규제 기관의 특별 승인이 필요하지 않습니다.
연료전지를 건물에 직접 배치할 수 있어 에너지 운반 시 손실을 줄일 수 있고, 반응으로 발생하는 열을 이용해 건물에 열이나 온수를 공급할 수 있다. 자율적인 열 및 전기 공급원은 외딴 지역과 전기가 부족하고 비용이 많이 드는 지역에서 매우 유익할 수 있지만 동시에 수소 함유 원료(석유, 천연 가스)가 매장되어 있습니다.
케이블을 늘리는 것보다 연료를 운반하는 것이 더 쉬운 매우 먼 위치에서 사용됩니다. 그들은 또한 발전소와 경쟁을 시작할 수도 있습니다. 이것은 세계에서 가장 강력한 모듈입니다.
거의 모든 주요 자동차 제조사가 연료전지 전기차 프로젝트를 진행하고 있습니다. 오랜 충전 시간이 필요하지 않고 필요한 인프라 변경이 그리 광범위하지 않기 때문에 기존 배터리 전기 자동차보다 훨씬 더 유망한 개념으로 보입니다.
연료전지의 장점은 연료 가용성, 신뢰성(연료전지에는 움직이는 부품이 없음), 내구성 및 작동 용이성입니다.
오늘날 연료 전지의 주요 단점 중 하나는 상대적으로 높은 비용이지만 이러한 단점은 곧 극복될 수 있습니다. 점점 더 많은 회사에서 상업용 연료 전지 샘플을 생산하고 있으며 지속적으로 개선되고 있으며 비용이 감소하고 있습니다.
연료전지의 중요성이 커지고 있다는 사실은 부시 행정부가 최근 자동차 개발에 대한 접근 방식을 재고하고, 최고의 주행거리를 갖춘 자동차 개발에 지출한 자금이 이제 연료전지 프로젝트에 이전된다는 사실에서도 알 수 있습니다. 개발 자금 조달은 단순히 국가의 손에 머물지 않습니다.
물론, 새로운 주행 컨셉은 승용차에만 국한되지 않고 대중교통에서도 찾아볼 수 있습니다. 연료전지 버스는 여러 도시의 거리에서 승객을 태웁니다. 자동차 드라이브와 함께 시장에는 전원이 공급되는 컴퓨터, 비디오 카메라 및 휴대폰과 같은 소형 드라이브가 많이 있습니다. 그림에서 우리는 교통 경보에 전력을 공급하는 연료 전지를 볼 수 있습니다.
가장 효과적인 방법은 순수 수소를 연료로 사용하는 것이지만, 이를 위해서는 생산 및 운송을 위한 특별한 인프라 구축이 필요합니다. 현재 모든 상용 모델은 천연가스 및 이와 유사한 연료를 사용합니다. 자동차는 일반 휘발유를 사용할 수 있으므로 기존에 개발된 주유소 네트워크를 유지할 수 있습니다. 그러나 이러한 연료를 사용하면 대기 중으로 유해한 배출이 발생하고(비록 매우 낮음) 연료 전지가 복잡해집니다(따라서 비용이 증가합니다). 앞으로는 태양광이나 풍력 등 친환경 신재생에너지원을 이용해 전기분해를 이용해 물을 수소와 산소로 분해한 뒤, 생성된 연료를 연료전지로 변환하는 방안이 검토되고 있다. 폐쇄 주기로 운영되는 이러한 복합 발전소는 완전히 환경 친화적이고 신뢰할 수 있으며 내구성이 뛰어나고 효율적인 에너지원을 나타낼 수 있습니다.
언급할 만한 점은 매립지에서 연료전지를 사용하는 것입니다. 연료전지는 전기를 생산하는 것 외에도 가스 배출을 태워 환경 개선에 도움을 줄 수 있습니다. 현재 여러 테스트 시설이 운영되고 있으며, 이러한 시설에 대한 광범위한 설치 프로그램이 미국 전역의 150개 테스트 현장에서 준비 중입니다. 연료전지는 정말 유용한 장치이며 우리는 이를 점점 더 자주 보게 될 것입니다.
화학자들이 연료전지에서 값비싼 백금을 대체할 수 있는 촉매를 개발했습니다. 대신 그는 약 20만 개의 값싼 철을 사용한다. 연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환합니다. 다른 분자에 있는 전자는 다른 에너지를 가지고 있습니다. 한 분자와 다른 분자 사이의 에너지 차이는 에너지원으로 사용될 수 있습니다. 전자가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 반응을 찾아보세요. 이러한 반응은 살아있는 유기체의 주요 에너지 원입니다.
연료전지의 또 다른 특징은 전기에너지와 열에너지를 동시에 사용할 때 가장 효율적이라는 점이다. 그러나 모든 시설에서 열 에너지를 사용할 기회가 있는 것은 아닙니다. 연료 전지를 전기 에너지 생성에만 사용하는 경우 "전통적인" 설비의 효율성을 초과하더라도 효율성이 감소합니다.
가장 잘 알려진 것은 호흡으로, 설탕을 이산화탄소와 물로 전환시키는 것입니다. 수소 연료 전지에서는 2원자 수소 분자가 산소와 결합하여 물을 형성합니다. 수소에 있는 전자와 물 사이의 에너지 차이를 이용해 전기를 생산합니다. 수소 전지는 아마도 오늘날 자동차를 운전하는 데 가장 일반적으로 사용되는 전지일 것입니다. 그들의 대규모 확장은 또한 작은 후킹을 방지합니다.
에너지가 풍부한 반응이 일어나기 위해서는 촉매가 필요합니다. 촉매는 반응이 일어날 가능성을 높이는 분자입니다. 촉매가 없으면 작동할 수도 있지만 빈도가 낮거나 속도가 느립니다. 수소전지는 귀중한 백금을 촉매로 사용합니다.
연료전지의 역사와 현대적 활용
연료전지의 작동 원리는 1839년에 발견되었습니다. 영국 과학자 윌리엄 로버트 그로브(1811-1896)는 전류를 통해 물이 수소와 산소로 분해되는 전기분해 과정이 가역적이라는 사실을 발견했습니다. 즉, 수소와 산소는 연소 없이 물 분자로 결합될 수 있지만 방출과 함께 가능합니다. 열과 전류. 그로브는 이러한 반응이 가능한 장치를 최초의 연료전지인 '가스 배터리'라고 불렀다.
수소 세포에서 일어나는 동일한 반응이 살아있는 세포에서도 일어납니다. 효소는 레고 벽돌처럼 결합될 수 있는 아미노산으로 구성된 상대적으로 큰 분자입니다. 각 효소에는 반응이 가속화되는 소위 활성 부위가 있습니다. 아미노산 이외의 분자도 종종 활성 부위에 존재합니다.
수소산의 경우 철입니다. 미국 에너지부 태평양 연구소의 Morris Bullock이 이끄는 화학자 팀은 수소화 활성 부위에서 반응을 모방할 수 있었습니다. 효소와 마찬가지로 철과 백금의 수소화만으로도 충분합니다. 초당 0.66~2개의 수소 분자를 분리할 수 있습니다. 전압의 차이는 160,000~220,000V입니다. 둘 다 현재 수소 전지에 사용되는 백금 촉매와 비슷합니다. 반응은 실온에서 수행됩니다.
연료전지 활용을 위한 기술의 활발한 개발은 제2차 세계대전 이후부터 시작되었으며, 이는 항공우주산업과 관련이 있다. 현재 효과적이고 신뢰할 수 있으면서도 동시에 매우 컴팩트한 에너지원에 대한 연구가 진행 중입니다. 1960년대 NASA(미국항공우주국, NASA) 전문가들은 아폴로(달 유인 비행), 아폴로-소유즈, 제미니, 스카이랩 프로그램의 우주선용 동력원으로 연료전지를 선택했다. 아폴로 우주선은 극저온 수소와 산소를 사용하여 전기, 열 및 물을 생산하는 3개의 1.5kW(피크 2.2kW) 발전소를 사용했습니다. 각 설치의 질량은 113kg이었습니다. 이 세 개의 셀은 병렬로 작동했지만 하나의 장치에서 생성된 에너지는 안전한 귀환에 충분했습니다. 18번의 비행 동안 연료전지는 총 10,000시간 동안 아무런 고장 없이 작동했습니다. 현재 연료전지는 우주선에 탑재된 모든 전기 에너지를 생성하기 위해 3개의 12W 장치를 사용하는 우주 왕복선에 사용됩니다(그림 2). 전기화학 반응의 결과로 얻은 물은 식수로 사용되며 장비 냉각에도 사용됩니다.
철 1kg의 가격은 0.5CZK입니다. 따라서 철은 백금보다 20만 배 저렴합니다. 미래에는 연료전지가 더 저렴해질 수도 있다. 값비싼 플래티넘을 사용해서는 안 되는 유일한 이유는 적어도 대규모로 사용해서는 안 됩니다. 그것을 다루는 것은 어렵고 위험합니다.
수소 챔버를 대량으로 사용하여 자동차를 운전하려면 휘발유 및 디젤과 동일한 인프라를 구축해야 합니다. 또한, 수소 구동 자동차에 동력을 공급하는 전기 모터를 생산하려면 구리가 필요합니다. 그러나 이것이 연료전지가 쓸모없다는 것을 의미하지는 않는다. 석유가 있으면 아마도 수소를 사용하는 것 외에는 선택의 여지가 없을 것입니다.
우리나라에서는 우주 비행에 사용할 연료 전지를 만드는 작업도 수행되었습니다. 예를 들어, 연료전지는 소련의 부란(Buran) 재사용 우주선에 전력을 공급하는 데 사용되었습니다.
연료전지의 상업적 사용을 위한 방법의 개발은 1960년대 중반에 시작되었습니다. 이러한 개발은 정부 기관에서 부분적으로 자금을 지원 받았습니다.
현재 연료전지 활용 기술 개발은 여러 방향으로 진행되고 있다. 이는 연료 전지에 고정식 발전소(중앙 집중식 및 분산식 에너지 공급용), 차량용 발전소(우리나라를 포함하여 연료 전지에 자동차 및 버스 샘플이 생성됨)를 만드는 것입니다(그림 3). 또한 다양한 모바일 장치(노트북 컴퓨터, 휴대폰 등)용 전원 공급 장치도 있습니다(그림 4).
다양한 분야에서 연료전지를 활용한 사례가 표에 나와 있습니다. 1.
건물에 자율적인 열 및 전원 공급을 위해 설계된 최초의 상업용 연료 전지 모델 중 하나는 ONSI Corporation(현재 United Technologies, Inc.)에서 제조한 PC25 모델 A였습니다. 정격 출력 200kW의 이 연료전지는 인산(Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)을 기반으로 한 전해질을 사용한 전지 유형입니다. 모델명의 숫자 "25"는 디자인의 일련번호를 의미합니다. 대부분의 이전 모델은 1970년대에 도입된 12.5kW "PC11" 모델과 같은 실험 또는 테스트 장치였습니다. 새로운 모델은 개별 연료전지에서 추출되는 전력을 증가시켰으며, 생산된 에너지의 킬로와트당 비용도 줄였습니다. 현재 가장 효율적인 상용 모델 중 하나는 PC25 모델 C 연료전지입니다. 모델 A와 마찬가지로 이 연료전지는 자급식 열 및 전력원으로 현장 설치용으로 설계된 완전 자동 200kW PAFC 연료전지입니다. 이러한 연료전지는 건물 외부에 설치될 수 있다. 외부적으로는 길이 5.5m, 폭 3m, 높이 18,140kg의 평행육면체입니다. 이전 모델과의 차이점은 개선된 개질기와 더 높은 전류 밀도입니다.
| 1 번 테이블 연료전지 응용분야 |
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일부 유형의 연료 전지에서는 화학적 과정이 역전될 수 있습니다. 전극에 전위차를 적용하면 물이 수소와 산소로 분해되어 다공성 전극에 모일 수 있습니다. 부하가 연결되면 이러한 재생 연료 전지는 전기 에너지를 생산하기 시작합니다.
연료 전지 사용에 대한 유망한 방향은 태양광 패널이나 풍력 발전소와 같은 재생 가능 에너지원과 함께 사용하는 것입니다. 이 기술을 사용하면 대기 오염을 완전히 피할 수 있습니다. 예를 들어 Oberlin의 Adam Joseph Lewis 교육 센터에서도 유사한 시스템을 구축할 계획입니다(ABOK, 2002, No. 5, p. 10 참조). 현재 이 건물의 에너지원 중 하나로 태양광 패널이 사용되고 있습니다. NASA 전문가들과 함께 광전지 패널을 사용하여 전기분해를 통해 물에서 수소와 산소를 생산하는 프로젝트가 개발되었습니다. 수소는 연료전지에서 전기에너지를 생산하는 데 사용됩니다. 이를 통해 건물은 흐린 날과 밤에도 모든 시스템의 기능을 유지할 수 있습니다.
연료전지의 작동원리
양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM)이 있는 간단한 요소의 예를 사용하여 연료 전지의 작동 원리를 고려해 보겠습니다. 이러한 전지는 양극 및 음극 촉매와 함께 양극(양극)과 음극(음극) 사이에 배치된 고분자막으로 구성됩니다. 고분자막은 전해질로 사용됩니다. PEM 요소의 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 5.
양성자 교환막(PEM)은 얇은(약 2~7장의 종이 두께) 고체 유기 화합물입니다. 이 막은 전해질 역할을 합니다. 즉, 물이 있을 때 물질을 양전하 이온과 음전하 이온으로 분리합니다.
양극에서는 산화 과정이 일어나고, 음극에서는 환원 과정이 일어난다. PEM 셀의 양극과 음극은 탄소와 백금 입자의 혼합물인 다공성 물질로 만들어집니다. 백금은 해리반응을 촉진하는 촉매제 역할을 합니다. 양극과 음극은 각각 수소와 산소가 자유롭게 통과할 수 있도록 다공성으로 만들어졌습니다.
양극과 음극은 두 개의 금속판 사이에 위치하여 양극과 음극에 수소와 산소를 공급하고 열과 물은 물론 전기 에너지를 제거합니다.
수소 분자는 판의 채널을 통해 양극으로 이동하며, 여기서 분자는 개별 원자로 분해됩니다(그림 6).
그림 5. () 양성자 교환막(PEM 전지)을 갖춘 연료 전지의 개략도 |
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그림 6. () 수소 분자는 판의 채널을 통해 양극으로 이동하며, 여기서 분자는 개별 원자로 분해됩니다. |
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그림 7. () 촉매 존재 하에서 화학 흡착의 결과로 수소 원자가 양성자로 변환됩니다. |
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그림 8. () 양전하를 띤 수소 이온은 막을 통해 음극으로 확산되고, 전자의 흐름은 부하가 연결된 외부 전기 회로를 통해 음극으로 향하게 됩니다. |
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그림 9. () 촉매가 있는 상태에서 음극에 공급된 산소는 양성자 교환막의 수소 이온 및 외부 전기 회로의 전자와 화학 반응을 일으킵니다. 화학반응의 결과로 물이 생성된다. |
그런 다음 촉매 존재 하에서의 화학 흡착의 결과로 각각 하나의 전자 e-를 포기하는 수소 원자는 양전하를 띤 수소 이온 H +, 즉 양성자로 변환됩니다 (그림 7).
양전하를 띤 수소 이온(양성자)은 막을 통해 음극으로 확산되고, 전자의 흐름은 부하(전기 에너지 소비자)가 연결된 외부 전기 회로를 통해 음극으로 향하게 됩니다(그림 8).
촉매 존재 하에서 음극에 공급된 산소는 양성자 교환막의 수소 이온(양성자) 및 외부 전기 회로의 전자와 화학 반응을 일으킵니다(그림 9). 화학 반응의 결과로 물이 형성됩니다.
다른 유형의 연료 전지(예: 오르토인산 H 3 PO 4 용액을 사용하는 산성 전해질 사용)의 화학 반응은 양성자 교환막이 있는 연료 전지의 화학 반응과 완전히 동일합니다.
모든 연료전지에서는 화학 반응으로 인한 에너지 중 일부가 열로 방출됩니다.
외부 회로의 전자 흐름은 작업을 수행하는 데 사용되는 직류입니다. 외부 회로를 열거나 수소 이온의 이동을 멈추면 화학 반응이 중단됩니다.
연료전지에서 생산되는 전기 에너지의 양은 연료전지의 종류, 기하학적 크기, 온도, 가스 압력에 따라 달라집니다. 별도의 연료전지는 1.16V 미만의 EMF를 제공합니다. 연료전지의 크기는 늘릴 수 있지만 실제로는 배터리에 연결된 여러 요소가 사용됩니다(그림 10).
연료전지 설계
PC25 Model C를 예로 들어 연료전지 설계를 살펴보겠습니다. 연료전지 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 열하나.
PC25 모델 C 연료전지는 연료 프로세서, 실제 발전부, 전압 변환기의 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다.
연료전지의 주요 부분인 발전부는 256개의 개별 연료전지로 구성된 배터리이다. 연료전지 전극에는 백금촉매가 포함되어 있습니다. 이 셀은 155볼트에서 1,400암페어의 일정한 전류를 생성합니다. 배터리 크기는 길이가 약 2.9m, 너비와 높이가 0.9m입니다.
전기화학적 공정은 177°C의 온도에서 이루어지기 때문에 시동 시 배터리를 가열하고 작동 중에 열을 제거해야 합니다. 이를 달성하기 위해 연료전지에는 별도의 물 회로가 포함되어 있으며 배터리에는 특수 냉각판이 장착되어 있습니다.
연료 처리기는 천연가스를 전기화학 반응에 필요한 수소로 변환합니다. 이 과정을 개혁이라고 합니다. 연료 처리기의 주요 요소는 개질기입니다. 개질기에서는 천연가스(또는 기타 수소 함유 연료)가 니켈 촉매 존재 하에 고온(900°C) 및 고압에서 수증기와 반응합니다. 이 경우 다음과 같은 화학 반응이 발생합니다.
CH 4 (메탄) + H 2 O 3H 2 + CO
(반응은 열 흡수와 함께 흡열 반응입니다.)
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(반응은 발열이며 열을 방출합니다).
전체 반응은 다음 방정식으로 표현됩니다.
CH 4 (메탄) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(반응은 열 흡수와 함께 흡열 반응입니다).
천연 가스를 변환하는 데 필요한 높은 온도를 제공하기 위해 연료 전지 스택에서 사용된 연료의 일부는 필요한 개질기 온도를 유지하는 버너로 향합니다.
개질에 필요한 증기는 연료전지 운전 중에 발생하는 응축수로부터 발생됩니다. 이는 연료전지 배터리에서 제거된 열을 사용합니다(그림 12).
연료전지 스택은 저전압, 고전류의 간헐적인 직류 전류를 생산합니다. 이를 산업 표준 AC 전류로 변환하기 위해 전압 변환기가 사용됩니다. 또한, 전압변환유닛에는 각종 고장시 연료전지가 꺼질 수 있도록 하는 각종 제어장치와 안전인터록 회로가 포함되어 있다.
이러한 연료전지에서는 연료에너지의 약 40%가 전기에너지로 전환될 수 있다. 대략 동일한 양, 즉 연료에너지의 약 40%가 열에너지로 변환될 수 있으며, 이는 난방, 온수 공급 및 이와 유사한 목적을 위한 열원으로 사용됩니다. 따라서 이러한 설치의 총 효율성은 80%에 도달할 수 있습니다.
이러한 열 및 전기 공급원의 중요한 장점은 자동 작동 가능성입니다. 유지보수를 위해 연료전지가 설치된 시설의 소유자는 특별히 훈련된 인력을 유지할 필요가 없으며, 운영 조직의 직원이 정기적인 유지보수를 수행할 수 있습니다.
연료전지의 종류
현재 사용되는 전해질의 구성이 다른 여러 유형의 연료 전지가 알려져 있습니다. 다음 네 가지 유형이 가장 널리 퍼져 있습니다(표 2).
1. 양성자 교환막을 갖춘 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. 오르토인산 기반 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. 용융탄산염을 기반으로 한 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. 고체산화물 연료전지(SOFC). 현재 가장 큰 연료전지 제품군은 PAFC 기술을 기반으로 합니다.
다양한 유형의 연료전지의 주요 특징 중 하나는 작동 온도입니다. 여러 면에서 연료전지의 적용 영역을 결정하는 것은 온도이다. 예를 들어 노트북에는 고온이 매우 중요하므로 이 시장 부문을 위해 작동 온도가 낮은 양성자 교환막 연료 전지가 개발되고 있습니다.
건물의 자율적인 전력 공급을 위해서는 설치 전력이 높은 연료전지가 필요하며, 동시에 열에너지를 사용할 가능성이 있으므로 이러한 목적으로 다른 유형의 연료전지를 사용할 수 있습니다.
양성자 교환막 연료전지(PEMFC)
이러한 연료전지는 상대적으로 낮은 작동 온도(60~160°C)에서 작동합니다. 전력 밀도가 높고 출력 전력을 빠르게 조정할 수 있으며 빠르게 켤 수 있습니다. 이러한 유형의 요소의 단점은 오염된 연료가 멤브레인을 손상시킬 수 있기 때문에 연료 품질에 대한 요구 사항이 높다는 것입니다. 이러한 유형의 연료전지의 정격 출력은 1~100kW입니다.
양성자 교환막 연료전지는 원래 General Electric이 1960년대 NASA를 위해 개발했습니다. 이러한 유형의 연료 전지는 양성자 교환막(PEM)이라는 고체 고분자 전해질을 사용합니다. 양성자는 양성자 교환막을 통해 이동할 수 있지만 전자는 이를 통과할 수 없으므로 음극과 양극 사이에 전위차가 발생합니다. 단순성과 신뢰성으로 인해 이러한 연료 전지는 유인 제미니 우주선의 전원으로 사용되었습니다.
이러한 유형의 연료전지는 휴대폰부터 버스, 고정식 전력 시스템에 이르기까지 프로토타입 및 프로토타입을 포함한 다양한 장치의 전원으로 사용됩니다. 작동 온도가 낮기 때문에 이러한 셀을 사용하여 다양한 유형의 복잡한 전자 장치에 전력을 공급할 수 있습니다. 많은 양의 열 에너지가 필요한 공공 및 산업 건물에 열 및 전기 공급원으로 사용하는 것은 덜 효과적입니다. 동시에, 이러한 요소는 기후가 더운 지역에 건설된 별장과 같은 소규모 주거용 건물의 자율적인 전원 공급원으로도 유망합니다.
| 표 2 연료전지의 종류 |
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인산 연료전지(PAFC)
이러한 유형의 연료전지 테스트는 이미 1970년대 초반에 수행되었습니다. 작동 온도 범위 - 150-200 °C. 주요 적용 분야는 중전력(약 200kW)의 자율 열원 및 전기 공급입니다.
이러한 연료전지는 인산 용액을 전해질로 사용합니다. 전극은 백금 촉매가 분산된 탄소로 코팅된 종이로 만들어졌습니다.
PAFC 연료전지의 전기효율은 37~42%이다. 그러나 이들 연료전지는 상당히 높은 온도에서 작동하기 때문에 작동 결과 발생하는 증기를 활용하는 것이 가능하다. 이 경우 전체 효율은 80%에 도달할 수 있습니다.
에너지를 생산하려면 수소 함유 공급원료를 개질 과정을 통해 순수한 수소로 전환해야 합니다. 예를 들어 휘발유를 연료로 사용하는 경우 황 함유 화합물을 제거해야 합니다. 황이 백금 촉매를 손상시킬 수 있기 때문입니다.
PAFC 연료전지는 경제적으로 사용된 최초의 상업용 연료전지였습니다. 가장 일반적인 모델은 ONSI Corporation(현재 United Technologies, Inc.)에서 제조한 200kW PC25 연료 전지였습니다(그림 13). 예를 들어, 이러한 요소는 뉴욕 센트럴 파크 경찰서의 열 및 전기 에너지원으로 사용되거나 Conde Nast Building 및 Four Times Square의 추가 에너지원으로 사용됩니다. 이 유형의 가장 큰 설치는 일본에 위치한 11MW 발전소로 테스트되고 있습니다.
인산 연료전지는 차량의 에너지원으로도 사용됩니다. 예를 들어, 1994년에 H-Power Corp., 조지타운 대학 및 미국 에너지부는 50kW 발전소를 갖춘 버스를 장착했습니다.
용융탄산염 연료전지(MCFC)
이 유형의 연료전지는 600~700°C의 매우 높은 온도에서 작동합니다. 이러한 작동 온도를 통해 별도의 개질기를 사용하지 않고도 연료를 전지 자체에서 직접 사용할 수 있습니다. 이 과정을 '내부 개혁'이라고 불렀습니다. 이는 연료전지의 설계를 대폭 단순화하는 것을 가능하게 한다.
용융 탄산염을 기반으로 한 연료 전지는 상당한 시동 시간이 필요하고 출력 전력의 즉각적인 조정을 허용하지 않으므로 주요 적용 분야는 대규모 고정 열 및 전기 에너지원입니다. 그러나 연료 전환 효율이 높은 것이 특징입니다(전기 효율 60%, 전체 효율 최대 85%).
이러한 유형의 연료전지에서 전해질은 약 650°C로 가열된 탄산칼륨과 탄산리튬염으로 구성됩니다. 이러한 조건에서 염은 용융된 상태로 전해질을 형성합니다. 양극에서 수소는 CO 3 이온과 반응하여 물, 이산화탄소를 형성하고 전자를 방출하여 외부 회로로 보내지며, 음극에서는 산소가 외부 회로의 이산화탄소 및 전자와 상호 작용하여 다시 CO 3 이온을 형성합니다. .
이러한 유형의 연료 전지에 대한 실험실 샘플은 1950년대 후반 네덜란드 과학자 G. H. J. Broers와 J. A. A. Ketelaar에 의해 만들어졌습니다. 1960년대에 17세기 영국의 유명한 작가이자 과학자의 후손인 엔지니어인 프랜시스 T. 베이컨(Francis T. Bacon)이 이러한 전지를 연구했는데, 이것이 바로 MCFC 연료전지를 베이컨 전지라고 부르기도 하는 이유입니다. NASA의 Apollo, Apollo-Soyuz 및 Scylab 프로그램에서는 이러한 연료 전지가 에너지 공급원으로 사용되었습니다(그림 14). 같은 해에 미국 국방부는 군용 등급 휘발유를 연료로 사용하는 Texas Instruments에서 생산한 여러 MCFC 연료 전지 샘플을 테스트했습니다. 1970년대 중반, 미국 에너지부는 실제 응용에 적합한 고정형 용융탄산염 연료전지를 만들기 위한 연구를 시작했습니다. 1990년대에는 최대 250kW의 정격 전력을 갖춘 다수의 상업용 설비가 캘리포니아의 미 해군 비행장 미라마(Miramar)에 도입되었습니다. 1996년 퓨얼셀에너지(FuelCell Energy, Inc.) 캘리포니아주 산타클라라에 2MW 사전 생산 공장을 가동했습니다.
고체산화물 연료전지(SOFC)
고체산화물 연료전지는 설계가 간단하고 700~1,000°C의 매우 높은 온도에서 작동합니다. 이러한 높은 온도로 인해 상대적으로 "더러운" 정제되지 않은 연료를 사용할 수 있습니다. 용융 탄산염을 기반으로 한 연료 전지와 동일한 특징은 유사한 적용 분야, 즉 대규모 고정 열 및 전기 에너지원을 결정합니다.
고체산화물 연료전지는 PAFC, MCFC 기술을 기반으로 한 연료전지와 구조적으로 다르다. 양극, 음극 및 전해질은 특수 등급의 세라믹으로 만들어집니다. 가장 일반적으로 사용되는 전해질은 산화지르코늄과 산화칼슘의 혼합물이지만 다른 산화물도 사용할 수 있습니다. 전해질은 다공성 전극 물질로 양면이 코팅된 결정 격자를 형성합니다. 구조적으로 이러한 요소는 튜브 또는 평판 형태로 만들어지므로 전자 산업에서 널리 사용되는 기술을 생산에 사용할 수 있습니다. 결과적으로 고체산화물 연료전지는 매우 높은 온도에서 작동할 수 있어 전기 에너지와 열 에너지를 생산하는 데 유리합니다.
높은 작동 온도에서는 산소 이온이 음극에서 형성되어 결정 격자를 통해 양극으로 이동하고, 그곳에서 수소 이온과 상호 작용하여 물을 형성하고 자유 전자를 방출합니다. 이 경우 수소는 셀 내에서 직접 천연가스로부터 분리됩니다. 즉, 별도의 개질기가 필요하지 않습니다.
고체 산화물 연료 전지 생성을 위한 이론적 기초는 1930년대 후반 스위스 과학자 Emil Bauer와 H. Preis가 지르코늄, 이트륨, 세륨, 란타늄 및 텅스텐을 전해질로 사용하여 실험하면서 마련되었습니다.
그러한 연료 전지의 첫 번째 프로토타입은 1950년대 후반에 수많은 미국과 네덜란드 회사에 의해 만들어졌습니다. 이들 회사 대부분은 기술적 어려움으로 인해 곧 추가 연구를 포기했지만, 그중 하나가 Westinghouse Electric Corp.입니다. (현 Siemens Westinghouse Power Corporation), 계속 작업했습니다. 회사는 현재 관형 고체산화물 연료전지의 상용 모델에 대한 사전 주문을 받고 있으며 올해 출시될 것으로 예상됩니다(그림 15). 이러한 요소의 시장 부문은 250kW ~ 5MW 용량의 열 및 전기 에너지 생산을 위한 고정 설비입니다.
SOFC 연료전지는 매우 높은 신뢰성을 입증했습니다. 예를 들어, Siemens Westinghouse가 제조한 프로토타입 연료 전지는 16,600시간의 작동 시간을 달성했으며 계속 작동하여 세계에서 가장 긴 연속 연료 전지 수명을 기록했습니다.
SOFC 연료 전지의 고온, 고압 작동 모드를 통해 연료 전지 배출물이 전력을 생성하는 데 사용되는 가스 터빈을 구동하는 하이브리드 플랜트를 만들 수 있습니다. 최초의 하이브리드 설치는 캘리포니아주 어바인에서 운영되고 있습니다. 이 설비의 정격 출력은 220kW이며, 그 중 200kW는 연료 전지에서, 20kW는 마이크로터빈 발전기에서 사용됩니다.
연료전지갈바니 전지와 유사한 전기 화학 장치이지만 갈바니 전지 또는 배터리에 저장된 제한된 양의 에너지와 달리 전기 화학 반응을 위한 물질이 외부에서 공급된다는 점에서 다릅니다.
쌀. 1. 일부 연료전지
연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기로 변환하여 손실이 많이 발생하는 비효율적인 연소 과정을 우회합니다. 그들은 화학 반응을 통해 수소와 산소를 전기로 변환합니다. 이 과정의 결과로 물이 생성되고 많은 양의 열이 방출됩니다. 연료전지는 충전한 후 저장된 전기 에너지를 사용하는 배터리와 매우 유사합니다. 연료전지의 발명가는 1839년에 연료전지를 발명한 William R. Grove로 간주됩니다. 이 연료전지는 황산용액을 전해질로, 수소를 연료로 사용했는데, 수소는 산화제에서 산소와 결합했다. 최근까지 연료전지는 실험실과 우주선에서만 사용됐다.
가스, 석탄, 연료유 등으로 구동되는 내연기관이나 터빈과 같은 다른 발전기와 달리 연료전지는 연료를 연소하지 않습니다. 이는 시끄러운 고압 로터, 시끄러운 배기 소음, 진동이 없음을 의미합니다. 연료전지는 조용한 전기화학 반응을 통해 전기를 생산합니다. 연료전지의 또 다른 특징은 연료의 화학적 에너지를 직접 전기, 열, 물로 변환한다는 것입니다.
연료전지는 효율성이 뛰어나고 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등 온실가스를 많이 배출하지 않습니다. 연료전지에서 배출되는 유일한 배출물은 증기 형태의 물과 소량의 이산화탄소뿐인데, 순수 수소를 연료로 사용하면 전혀 배출되지 않습니다. 연료전지는 어셈블리로 조립된 다음 개별 기능 모듈로 조립됩니다.
연료전지에는 움직이는 부분이 없으므로(적어도 전지 자체 내에는 없음) 카르노의 법칙을 따르지 않습니다. 즉, 효율성이 50% 이상이며 특히 낮은 부하에서 효과적입니다. 따라서 연료전지 차량은 실제 주행 조건에서 기존 차량보다 연료 효율이 더 높아질 수 있으며 이미 입증되었습니다.
연료전지는 차량의 전기 모터, 조명 및 기타 전기 시스템을 구동하는 데 사용할 수 있는 정전압 전류를 생성합니다.
연료전지에는 사용되는 화학 공정이 다른 여러 유형이 있습니다. 연료전지는 일반적으로 사용하는 전해질의 종류에 따라 분류됩니다.
일부 유형의 연료 전지는 발전소 추진에 유망한 반면, 다른 유형의 연료 전지는 휴대용 장치나 자동차 운전에 유망합니다.
1. 알칼리 연료전지(ALFC)
알칼리 연료전지- 이것은 개발된 최초의 요소 중 하나입니다. 알칼리성 연료 전지(AFC)는 20세기 중반부터 NASA의 아폴로 및 우주 왕복선 프로그램에 사용된 가장 많이 연구된 기술 중 하나입니다. 이 우주선에 탑재된 연료 전지는 전기 에너지와 식수를 생산합니다.
알칼리 연료전지는 전기를 생산하는 데 사용되는 가장 효율적인 요소 중 하나이며, 발전 효율은 최대 70%에 이릅니다.
알칼리성 연료전지는 다공성의 안정화된 매트릭스에 함유된 수산화칼륨 수용액인 전해질을 사용합니다. 수산화칼륨 농도는 연료전지의 작동 온도(65°C ~ 220°C)에 따라 달라질 수 있습니다. SHTE의 전하 운반체는 수산기 이온(OH-)으로, 음극에서 양극으로 이동하며, 그곳에서 수소와 반응하여 물과 전자를 생성합니다. 양극에서 생성된 물은 다시 음극으로 이동하여 다시 그곳에서 수산기 이온을 생성합니다. 연료 전지에서 일어나는 일련의 반응의 결과로 전기와 부산물로서 열이 생성됩니다.
양극에서의 반응: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e
음극에서의 반응: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH
시스템의 일반적인 반응: 2H2 + O2 => 2H2O
SHTE의 장점은 전극에 필요한 촉매가 다른 연료 전지의 촉매로 사용되는 것보다 저렴한 물질이 될 수 있기 때문에 이러한 연료 전지가 생산 비용이 가장 저렴하다는 것입니다. 또한 SHTE는 상대적으로 낮은 온도에서 작동하며 가장 효율적입니다.
SHTE의 특징 중 하나는 연료나 공기에 포함될 수 있는 CO2에 대한 높은 민감도입니다. CO2는 전해질과 반응하여 전해질을 빠르게 중독시키고 연료전지의 효율을 크게 감소시킵니다. 따라서 SHTE의 사용은 우주 및 수중 차량과 같은 밀폐된 공간으로 제한되며 순수한 수소와 산소로 작동됩니다.
2. 용융탄산염 연료전지(MCFC)
용융탄산염 전해질을 이용한 연료전지고온 연료전지이다. 높은 작동 온도 덕분에 연료 처리기 없이 천연가스를 직접 사용할 수 있고 산업 공정 및 기타 소스에서 나오는 저열량 연료 가스를 사용할 수 있습니다. 이 프로세스는 20세기 60년대 중반에 개발되었습니다. 그 이후로 생산 기술, 성능 및 신뢰성이 향상되었습니다.
RCFC의 작동은 다른 연료전지와 다릅니다. 이 전지는 용융된 탄산염의 혼합물로 만든 전해질을 사용합니다. 현재 탄산리튬과 탄산칼륨 또는 탄산리튬과 탄산나트륨의 두 가지 유형의 혼합물이 사용됩니다. 탄산염을 녹이고 전해질에서 높은 수준의 이온 이동도를 달성하기 위해 용융 탄산염 전해질을 갖춘 연료 전지는 고온(650°C)에서 작동합니다. 효율성은 60~80% 사이입니다.
650°C의 온도로 가열되면 염은 탄산염 이온(CO32-)의 전도체가 됩니다. 이러한 이온은 음극에서 양극으로 이동하여 수소와 결합하여 물, 이산화탄소 및 자유 전자를 형성합니다. 이러한 전자는 외부 전기 회로를 통해 다시 음극으로 보내져 부산물로 전류와 열을 생성합니다.
양극에서의 반응: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e
음극에서의 반응: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
원소의 일반적인 반응 : H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(음극) => H2O(g) + CO2(양극)
용융탄산염 전해질 연료전지의 높은 작동 온도에는 특정한 장점이 있습니다. 장점은 표준 재료(스테인리스 강판 및 전극의 니켈 촉매)를 사용할 수 있다는 것입니다. 폐열은 고압 증기를 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 전해질의 높은 반응 온도에도 장점이 있습니다. 고온을 사용하면 최적의 작동 조건을 달성하는 데 오랜 시간이 필요하며 시스템은 에너지 소비 변화에 더 느리게 반응합니다. 이러한 특성으로 인해 일정한 전력 조건에서 용융 탄산염 전해질을 사용하는 연료 전지 설비를 사용할 수 있습니다. 높은 온도는 일산화탄소, “중독” 등에 의한 연료 전지의 손상을 방지합니다.
용융탄산염 전해질을 사용하는 연료전지는 대규모 고정 설비에 사용하기에 적합합니다. 2.8MW의 전력 출력을 갖는 화력 발전소가 상업적으로 생산됩니다. 최대 100MW의 출력을 갖춘 설비가 개발되고 있습니다.
3. 인산형 연료전지(PAFC)
인산(정인산) 기반 연료전지상업용으로 사용된 최초의 연료전지가 되었습니다. 이 프로세스는 20세기 중반에 개발되었으며, 테스트는 20세기 70년대부터 수행되었습니다. 그 결과 안정성과 성능이 향상되고 비용이 절감되었습니다.
인산(정인산) 연료 전지는 최대 100% 농도의 정인산(H3PO4) 기반 전해질을 사용합니다. 인산의 이온 전도도는 저온에서 낮기 때문에 이러한 연료전지는 최대 150~220°C의 온도에서 사용됩니다.
이러한 유형의 연료 전지의 전하 운반체는 수소(H+, 양성자)입니다. 양극에 공급된 수소가 양성자와 전자로 분리되는 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)에서도 유사한 과정이 발생합니다. 양성자는 전해질을 통해 이동하고 음극에서 공기 중의 산소와 결합하여 물을 형성합니다. 전자는 외부 전기 회로를 통해 전송되어 전류를 생성합니다. 다음은 전류와 열을 발생시키는 반응입니다.
양극에서의 반응: 2H2 => 4H+ + 4e
음극에서의 반응: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
원소의 일반적인 반응: 2H2 + O2 => 2H2O
인산(정인산) 기반 연료전지의 효율은 전기에너지 생성 시 40% 이상이다. 열과 전기를 결합하여 생산하면 전체 효율은 약 85%입니다. 또한, 주어진 작동 온도에서는 폐열을 사용하여 물을 가열하고 대기압 증기를 생성할 수 있습니다.
열 에너지와 전기 에너지의 결합 생산에서 인산(정인산) 기반 연료 전지를 사용하는 화력 발전소의 고성능은 이러한 유형의 연료 전지의 장점 중 하나입니다. 이 장치는 약 1.5% 농도의 일산화탄소를 사용하므로 연료 선택의 폭이 크게 넓어집니다. 단순한 설계, 낮은 전해질 휘발성 및 향상된 안정성도 이러한 연료전지의 장점입니다.
최대 400kW의 전력 출력을 갖춘 화력 발전소가 상업적으로 생산됩니다. 11MW 용량의 설비는 적절한 테스트를 통과했습니다. 최대 100MW의 출력을 갖춘 설비가 개발되고 있습니다.
4. 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)
양성자 교환막 연료전지연료전지는 휘발유와 디젤 내연기관을 대체할 수 있는 차량용 전력생산에 가장 적합한 연료전지로 꼽힌다. 이 연료전지는 NASA가 Gemini 프로그램을 위해 처음으로 사용했습니다. 1W ~ 2kW의 전력을 사용하는 MOPFC 기반 설치가 개발 및 시연되었습니다.
이러한 연료전지의 전해질은 고체 고분자막(플라스틱의 얇은 막)입니다. 물로 포화되면 이 중합체는 양성자를 통과시킬 수 있지만 전자를 전도하지는 않습니다.
연료는 수소이고, 전하 운반체는 수소 이온(양성자)입니다. 양극에서 수소 분자는 수소 이온(양성자)과 전자로 분리됩니다. 수소 이온은 전해질을 통과하여 음극으로 이동하고, 전자는 바깥쪽 원 주위를 이동하며 전기 에너지를 생성합니다. 공기에서 가져온 산소는 음극으로 공급되어 전자 및 수소 이온과 결합하여 물을 형성합니다. 전극에서는 다음과 같은 반응이 일어납니다. 양극에서의 반응: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e음극에서의 반응: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH 전체 전지 반응: 2H2 + O2 => 2H2O 다른 유형의 전지와 비교하여 연료 전지, 양성자 교환막이 있는 연료 전지는 연료 전지의 주어진 부피 또는 무게에 대해 더 많은 에너지를 생산합니다. 이 기능을 사용하면 소형이고 가벼워질 수 있습니다. 또한 작동 온도가 100°C 미만이므로 빠르게 작동을 시작할 수 있습니다. 이러한 특성과 에너지 출력을 빠르게 변경하는 능력은 이러한 연료 전지를 차량에 사용할 수 있는 주요 후보로 만드는 몇 가지에 불과합니다.
또 다른 장점은 전해질이 액체가 아닌 고체라는 점입니다. 고체 전해질을 사용하면 음극과 양극에 가스를 유지하는 것이 더 쉽기 때문에 이러한 연료 전지는 생산 비용이 더 저렴합니다. 고체 전해질을 사용하면 방향 문제가 없고 부식 문제가 적어 전지와 구성 요소의 수명이 늘어납니다.
5. 고체산화물 연료전지(SOFC)
고체산화물 연료전지가장 높은 작동 온도를 갖는 연료전지입니다. 작동 온도는 600°C에서 1000°C까지 다양하므로 특별한 전처리 없이 다양한 유형의 연료를 사용할 수 있습니다. 이러한 높은 온도를 처리하기 위해 사용되는 전해질은 세라믹 기반의 얇은 고체 금속 산화물, 종종 산소 이온(O2-)의 전도체인 이트륨과 지르코늄의 합금입니다. 고체산화물 연료전지를 사용하는 기술은 20세기 후반부터 발전해 왔으며 평면형과 관형의 두 가지 구성이 있습니다.
고체 전해질은 한 전극에서 다른 전극으로 가스의 밀봉된 전이를 제공하는 반면, 액체 전해질은 다공성 기판에 위치합니다. 이러한 유형의 연료 전지의 전하 운반체는 산소 이온(O2-)입니다. 음극에서는 공기 중의 산소 분자가 산소 이온과 4개의 전자로 분리됩니다. 산소 이온은 전해질을 통과하여 수소와 결합하여 4개의 자유 전자를 생성합니다. 전자는 외부 전기 회로를 통해 전송되어 전류와 폐열을 생성합니다.
양극에서의 반응: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e
음극에서의 반응: O2 + 4e- => 2O2-
원소의 일반적인 반응: 2H2 + O2 => 2H2O
전기에너지 생산 효율은 약 60%로 연료전지 중 가장 높다. 또한 높은 작동 온도로 인해 열에너지와 전기 에너지를 결합하여 고압 증기를 생성할 수 있습니다. 고온 연료전지와 터빈을 결합하면 전기에너지 생성 효율을 최대 70%까지 높이는 하이브리드 연료전지가 가능하다.
고체산화물 연료전지는 매우 높은 온도(600°C~1000°C)에서 작동하므로 최적의 작동 조건에 도달하는 데 상당한 시간이 필요하고 에너지 소비 변화에 대한 시스템 반응이 느려집니다. 이러한 높은 작동 온도에서는 연료로부터 수소를 회수하기 위한 변환기가 필요하지 않으므로 화력 발전소는 석탄의 가스화 또는 폐가스 등으로 인해 발생하는 상대적으로 불순한 연료를 사용하여 작동할 수 있습니다. 연료전지는 산업 및 대규모 중앙 발전소를 포함한 고전력 응용 분야에도 탁월합니다. 100kW의 전기 출력을 갖는 모듈이 상업적으로 생산됩니다.
6. 직접 메탄올 산화 연료전지(DOMFC)
직접 메탄올 산화 연료전지그들은 휴대폰, 노트북에 전원을 공급하고 휴대용 전원을 만드는 분야에서 성공적으로 사용되며, 이는 이러한 요소의 향후 사용을 목표로 합니다.
메탄올을 직접 산화하는 연료전지의 설계는 양성자 교환막(MEPFC)을 사용한 연료전지의 설계와 유사합니다. 고분자는 전해질로 사용되며, 수소이온(양성자)은 전하 운반체로 사용됩니다. 그러나 액체 메탄올(CH3OH)은 양극에서 물이 존재하면 산화되어 CO2, 수소 이온 및 전자를 방출하고 외부 전기 회로를 통해 보내져 전류를 생성합니다. 수소 이온은 전해질을 통과하여 공기 중의 산소 및 외부 회로의 전자와 반응하여 양극에서 물을 형성합니다.
양극에서의 반응: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e 음극에서의 반응: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O 원소의 일반적인 반응: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 연료전지는 20세기 90년대 초부터 개발되어 비동력과 효율이 40%까지 향상되었다.
이러한 요소는 50~120°C의 온도 범위에서 테스트되었습니다. 작동 온도가 낮고 변환기가 필요하지 않기 때문에 이러한 연료 전지는 자동차 엔진은 물론 휴대폰, 기타 소비자 제품에 사용하기에 가장 적합한 후보입니다. 그들의 장점은 또한 작은 크기입니다.
7. 고분자 전해질 연료전지(PEFC)
고분자 전해질 연료전지의 경우 고분자막은 전도수 이온 H2O+(양성자, 적색)가 물 분자에 부착되는 물 영역이 있는 고분자 섬유로 구성됩니다. 물 분자는 느린 이온 교환으로 인해 문제를 야기합니다. 따라서 연료와 출구 전극 모두에 높은 농도의 물이 필요하며, 이로 인해 작동 온도가 100°C로 제한됩니다.
8. 고체산 연료전지(SFC)
고체산 연료전지의 전해질(CsHSO4)에는 물이 포함되어 있지 않습니다. 따라서 작동 온도는 100~300°C입니다. SO42 옥시음이온의 회전으로 인해 양성자(빨간색)가 그림에 표시된 대로 움직일 수 있습니다. 일반적으로 고체산 연료전지는 양호한 접촉을 보장하기 위해 함께 단단히 압착되는 두 전극 사이에 매우 얇은 고체산 화합물 층이 끼워진 샌드위치입니다. 가열되면 유기 성분이 증발하여 전극의 기공을 통해 빠져나가며 연료(또는 요소의 다른 쪽 끝에 있는 산소), 전해질 및 전극 사이의 다중 접촉 능력을 유지합니다.
9. 연료전지의 가장 중요한 특성 비교
연료전지 종류 | 작동 온도 | 발전 효율 | 연료 종류 | 적용 범위 |
중형 및 대규모 설치 |
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순수한 수소 | 설치 |
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순수한 수소 | 소규모 설치 |
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대부분의 탄화수소 연료 | 소형, 중형 및 대형 설치 |
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가지고 다닐 수 있는 설치 |
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순수한 수소 | 공간 연구하다 |
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순수한 수소 | 소규모 설치 |
10. 자동차의 연료전지 활용
최근 리튬 이온 배터리의 결함으로 인한 과열, 화재, 심지어 노트북 폭발과 관련된 사건을 고려할 때 대부분의 전문가에 따르면 미래에 이를 보완하거나 보완할 수 있을 새로운 대체 기술을 떠올리지 않을 수 없습니다. 오늘날의 전통적인 충전식 배터리를 교체하십시오. 우리는 새로운 동력원인 연료전지에 대해 이야기하고 있습니다.
40년 전 인텔 창업자 중 한 명인 고든 무어(Gordon Moore)가 공식화한 경험법칙에 따르면 프로세서 성능은 18개월마다 두 배씩 증가합니다. 배터리는 칩을 따라갈 수 없습니다. 전문가에 따르면 이들의 용량은 연간 10%만 증가합니다.
연료전지는 연료전지의 양극과 음극 공간을 분리하는 세포막(다공성)을 기반으로 작동합니다. 이 막은 적절한 촉매로 양면이 코팅되어 있습니다. 연료극에는 연료가 공급되는데, 이 경우 메탄올 용액(메틸알코올)을 사용한다. 연료 분해의 화학 반응의 결과로 막을 통해 음극으로 침투하는 자유 전하가 형성됩니다. 따라서 전기 회로가 닫히고 장치에 전원을 공급하기 위해 전류가 생성됩니다. 이러한 연료전지를 직접메탄올연료전지(DMFC)라고 합니다. 연료전지 개발은 오래 전부터 시작됐지만 리튬이온 배터리와의 본격적인 경쟁을 불러일으킬 만큼 첫 성과가 나온 것은 불과 2년 남짓이다.
2004년에는 이러한 장치 시장에 약 35개의 제조업체가 있었지만 소수의 회사만이 이 분야에서 상당한 성공을 거두었습니다. 지난 1월 Fujitsu는 개발 내용을 발표했습니다. 배터리의 두께는 15mm이고 30% 메탄올 용액 300mg이 포함되어 있습니다. 15W의 전력으로 8시간 동안 노트북에 전력을 공급할 수 있었습니다. 한 달 후, 소규모 회사인 PolyFuel이 연료 전원 공급 장치를 장착해야 하는 바로 그 멤브레인의 상업적 생산 개시를 최초로 발표했습니다. 그리고 이미 3월에 Toshiba는 연료로 작동하는 모바일 PC의 프로토타입을 시연했습니다. 제조업체는 이러한 노트북이 기존 배터리를 사용하는 노트북보다 5배 더 오래 지속될 수 있다고 밝혔습니다.
2005년 LG화학은 자체 연료전지 개발을 발표했다. 개발에는 약 5년 50억 달러가 소요됐다. 그 결과, USB 인터페이스를 통해 노트북에 연결하고 10시간 동안 작동할 수 있는 25W의 전력과 1kg의 무게를 지닌 장치를 만드는 것이 가능했습니다. 2006년 올해도 많은 흥미로운 발전이 있었습니다. 특히 Ultracell사의 미국 개발자들은 25W의 전력을 제공하고 67% 메탄올을 함유한 교체 가능한 카트리지 3개가 장착된 연료 전지를 시연했습니다. 노트북에 24시간 동안 전원을 공급할 수 있습니다. 배터리 무게는 약 1kg이었고 각 카트리지의 무게는 약 260g이었습니다.
메탄올 배터리는 리튬 이온 배터리보다 더 큰 용량을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 폭발성이 없습니다. 단점은 비용이 상당히 높고 메탄올 카트리지를 주기적으로 교체해야 한다는 점입니다.
연료 배터리가 기존 배터리를 대체하지 않더라도 연료 배터리와 함께 사용될 가능성이 높습니다. 전문가들에 따르면, 2006년 연료전지 시장 규모는 약 6억 달러로 상당히 작은 규모일 것으로 예상된다. 그러나 2010년까지 전문가들은 이 금액이 3배 증가하여 최대 19억 달러에 이를 것으로 예상합니다.
"알코올 배터리가 리튬 배터리를 대체하고 있습니다"라는 기사 토론
제모엥
이런 젠장, 여성 잡지에서 이 장치에 대한 정보를 찾았습니다.
글쎄요, 이에 대해 몇 마디 말씀 드리겠습니다.
1: 불편한 점은 6~10시간 작동한 후에는 새 카트리지를 찾아야 한다는 점입니다. 가격이 비쌉니다. 내가 왜 이런 말도 안되는 일에 돈을 써야 합니까?
2: 내가 아는 한, 메틸알코올로부터 에너지를 받은 후에는 물이 방출되어야 합니다. 노트북과 물은 호환되지 않는 것입니다.
3. 왜 여성잡지에 글을 쓰나요? “아무 것도 모른다”, “이게 뭐야?”라는 댓글로 판단하면 이 글은 BEAUTIES 전용 사이트 수준은 아닙니다.
