燃料元件。方案、说明

燃料元件。无线电电子电气工程百科全书

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氢氧燃料电池于1838年由英国科学家W.格罗夫发现。他研究了水分解成氢气和氧气的过程，发现电解槽会产生电流。事实证明，存在无需燃烧燃料即可将燃料转化为电能的过程。但人类获得电力主要是通过火电厂中石油、煤炭或天然气的燃烧或核电厂中核燃料的燃烧。涉及燃烧的过程会带来巨大的损失，因此任何不燃烧燃料发电的选择都吸引了科学家和工程师。

什么是燃料电池？

在研究过程中发现，需要准备燃料电池的燃料。自然界中不存在纯氢。它必须从化石燃料中提取，例如甲烷或天然气。

燃料电池是一种化学电流源，因此由阳极、阴极和电解质组成（见图）。

燃料电池

还原剂（氢气）在阳极被氧化，向外电路提供电子，带正电的 H+ 离子进入电解质。从链的另一端，电子接近阴极，向阴极供应空气（氧气），并发生还原反应（通过氧化剂 - 氧气添加电子）。带正电的氢离子（质子）被电解质携带到阴极，在阴极与负氧离子结合形成水 H2O。

电极和电解质不参与反应。因此，需要向燃料电池供应氢气和氧气、去除水并去除电流。

氢气生产的问题导致人们尝试使用其他还原剂，特别是一氧化碳CO，它相对容易从煤中获得。二十世纪30年代。德国研究人员 E. Bauer 创建了一个带有固体电解质的实验室装置，用于煤炭的直接阳极氧化。目前，除煤炭外，几乎任何有机燃料都可以使用。这种燃料电池的输出产物不是水，而是二氧化碳CO2。

为什么燃料电池作为电力来源具有吸引力？

首先，它们比火力发电厂更环保。氢氧燃料电池产生水，而碳基燃料电池产生二氧化碳，单位电量比火力发电厂少得多。

其次，它们的效率很高，约为40-60%（大型火电厂约为30%）。目前，已开发出效率高达90%的技术。这使得有机燃料的消耗量可以减少至少两倍。第三，燃料的可靠性异常高。无故障运行的概率估计为“七个九”或 2%。

燃料电池类型

这些类型由燃料电池中使用的电解质类型决定。

1.磷酸。目前这种类型的燃料电池已经开始量产。他们已经在医院、酒店、学校、办公室安装了 200 多个。它们的效率为 40%，但此外，还使用输出产品 - 热蒸汽。这种燃料电池的工作温度约为200°C。

2.质子交换膜。这些元件在较低温度（约 100°C）下工作。质子交换膜 - 一层薄薄的塑料，允许质子通过。塑料的两面都涂有一层金属颗粒（最常见的是铂），这是一种活性催化剂。这种类型的燃料电池被认为是最有前途的汽车燃料电池以及作为电池和蓄电池的替代品。

3.熔融碳酸盐。采用这种电解质的电池可在约 700°C 的温度下运行，并且可以使用氢气、一氧化碳、天然气、丙烷、柴油和其他物质。已开发出容量为 10 kW 至 2 MW 的工业装置。这种燃料电池作为固定式发电厂很有前景。

4.固体氧化物。使用固体陶瓷材料代替液体电解质。这种燃料电池的工作温度高达1000°C。效率达到60%。展示了功率为220kW的燃料电池。这种燃料电池有望成为强大的发电厂。

5、碱性电解液。采用这种电解质（KOH）的燃料电池长期以来一直在美国航天器中使用。他们的效率达到70%。但对于商业应用来说，它们仍然太昂贵。

6. 甲醇。这种元件在结构上与带有质子交换膜的元件相似，但用于从液态甲醇中提取氢气。效率约为40%。工作温度 50-90°C。

7.再生燃料电池。这种类型的燃料电池正在研究中。它使用闭环。太阳能电池电解槽将水分离成氢气和氧气。氢气和氧气被输入燃料电池，产生电力、热量和水。水被循环回到电解槽并重复该过程。这种类型的燃料电池对于航天器和空间站很有希望。

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