燃料電池と水素エネルギー車の動作原理は何ですか？

いわゆる水素エネルギー源は、地球上に大量の水素が存在することを意味するものではなく、エネルギー源として使用するために「利用」することができます。代わりに、水は光によって分解され、石油や電気の代わりに水素を生成することができます。

水素はエネルギー源として多くの利点があります。水素は光分解によって生成することができ、貯水量は大きく、比較的少ないです。水素燃料は燃焼後に生成され、無害で非常にクリーンなエネルギー源です。水素は貯蔵や輸送での電力損失よりも少なく、水素の燃焼熱は高いです。 1キログラムの水素を燃焼させることによって発生する熱は、3キログラムのガソリンまたは4.5キログラムのコークスの発熱量に相当します。しかし、アプリケーションでは、水素の貯蔵と輸送、および水を分解して水素を生成するための太陽エネルギーの使用が、水素エネルギーの開発を制限するボトルネックになっています。

燃料電池について話しましょう。燃料中の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置です。外から見ると、電池のように正極と負極、電解質がありますが、本質的には「電気を蓄える」ことはできず、小さな「発電所」です。燃料電池には多くの種類があります。長年の調査の結果、自動車にとって最も有望なのはプロトン交換膜燃料電池です。その動作原理は次のとおりです。触媒（白金）の作用により、水素を負極に送り、水素原子内の2つの電子を分離します。これらの2つの電子は、正極の引力の下で外部回路を介して電流を生成します。電子を失った水素イオン（プロトン）は、プロトン交換膜（固体電解質）を通過して、酸素原子および電子と再結合して正極で水になります。空気から酸素を得ることができるので、負極に水素を供給し続け、時間内に水（蒸気）を取り除いていれば、燃料電池は電気エネルギーを供給し続けることができます。

現在、水素エネルギーの使用は主に水素燃料電池です。電気自動車の際立った特徴は、かさばるバッテリー負荷がなく、走行距離に車を運転する力がないことです。したがって、水素燃料電池は優れた推進力と言えます。この種の動力を動力源とする自動車は、無公害水素動力自動車と呼ばれます。

燃料電池は、燃料と電解質の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置です。また、火力、水力、原子力に次ぐ4番目の発電装置です。今日の先進国から高く評価されているハイテク開発分野です。

水素-酸素燃料電池は、還元剤として燃料として水素を使用し、酸化剤として酸素を使用します

水素酸素燃料電池

燃料の燃焼反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するバッテリーは、一次バッテリーと同じように機能します。

酸水素燃料電池が作動すると、水素が水素電極に供給され、酸素が酸素電極に供給される。水素と酸素は、電極上の触媒の作用下で電解質を介して水を形成します。このとき、水素電極には過剰な電子があり、負に帯電しており、酸素電極は電子が不足しているために正に帯電しています。燃焼と同様のこのプロセスは、回路がオンになった後も継続的に実行できます。

運転中は、負極に燃料（水素）が供給され、正極に酸化剤（酸素）が供給されます。水素は、負極に触媒が作用することにより、陽イオンH +と電子e-に分解されます。水素イオンが電解液に入り、電子が外部回路に沿って正極に移動します。電気負荷は外部回路に接続されています。正極では、電解液中の酸素と水素イオンが正極に到達した電子を吸収して水を形成します。これは水の電解反応の逆です。

酸水素燃料電池は、バッテリー内のすべての還元剤と酸化剤を貯蔵する装置を必要としません。

酸水素燃料電池の反応物はすべてバッテリーの外にあります。それは反応を提供するための単なる容器です。

水素と酸素の両方をバッテリーの外部から供給することができます。

燃料電池は、物質の化学反応によって放出されるエネルギーを使用して、物質を直接電気エネルギーに変換する化学電池です。この観点からは、亜鉛マンガン乾電池、鉛蓄電池などの他の化学電池と同様です。ただし、他の一般的な化学電池と同じではない反応性材料（燃料と酸化剤）の継続的な供給が必要です。化学反応によって放出されたエネルギーを電気エネルギーに変換することから、燃料電池と呼ばれています。

具体的には、燃料電池は水の電気分解の逆反応を利用する「発電機」です。これは、正極、負極、および正極と負極の間に挟まれた電解質プレートで構成されています。当初、電解質プレートは多孔質プレートに電解質を浸透させることによって形成されていましたが、2013年に固体電解質を直接使用するように開発されました。

運転中は、負極に燃料（水素）が供給され、正極に酸化剤（酸素となる空気）が供給されます。水素は負極で陽イオンH +と電子e-に分解されます。水素イオンが電解質に入ると、電子は外部回路に沿って正極に移動します。電気負荷は外部回路に接続されています。正極では、空気中の酸素と電解質中の水素イオンが電子を吸収して正極に到達し、水を形成します。これは水の電解反応の逆です。このプロセスでは、水を再利用することができ、発電の原理は、夜間に使用できる太陽電池の原理と似ています。

燃料電池の電極材料は、一般に不活性電極であり、白金電極、活性炭電極などの強力な触媒活性を有する。

この原理により、燃料電池は運転中に継続的に外部に電気を送ることができるため、「発電機」とも呼ばれます。

一般に、燃料電池の化学反応式を書くには、電解質の酸性度とアルカリ度に高度な注意を払う必要があります。正極と負極で発生する電極反応は分離されておらず、電解液と密接に関係していることがよくあります。たとえば、水素-酸素燃料電池は、酸性と塩基性の両方の形態で入手できます。

電解液がアルカリまたは塩溶液の場合

ある種の燃料電池は、燃料として水素を使用し、酸化剤として酸素を使用します。水素と酸素は、電気化学反応と出力電気エネルギーのためにパイプを介してバッテリーに外部から供給されます。酸水素燃料電池の理論比エネルギーは3,600ワット時/ kgです。単一セルの動作電圧は、一般に0.8〜0.97ボルトです。負荷に必要な動作電圧を満たすために、多くの場合、数十個の単一セルが直列に接続されてバッテリパックを形成します。

バッテリーの正常な動作を維持するためには、水素と酸素を継続的に供給し、反応生成物（水）と廃熱を時間内に排除する必要があります。バッテリーパックは次の部品で構成されています。1水素と酸素の供給サブシステム：宇宙船によって運ばれる水素と酸素は超臨界液体に貯蔵され、タンクの容積を減らし、無重力状態での気体と液体の分離の問題を解決できます。 、ただし、タンクは絶縁されている必要があります。良好な性能、低温耐性、高圧耐性（酸素タンクで6MPa、水素タンクで3〜3.5MPa）。 2排水サブシステム：動的排水と静的排水の2つの主要なモードがあります。前者は、水蒸気とともに水素を冷却装置に循環させて、水蒸気を凝縮して分離します。後者は、多孔質繊維織物（芯など）に依存して凝縮水を吸着します。これは芯排水とも呼ばれます。バッテリーパックから排出された水は、宇宙飛行士が使用するため、または冷却剤として使用するために浄化されます。 3列熱分離システム：バッテリーパックは冷却液（グリコール水溶液など）を循環して廃水をラジエーターに排出し、バッテリーパックが正常に動作する温度範囲を維持します。 4自動制御サブシステム：バッテリーパックの動作圧力、温度、排水と排気、電圧、安全性、冷却液循環の制御と調整を含みます。測定されたパラメータは、宇宙飛行士のコックピットのディスプレイに送信されるか、テレメトリデバイスによって地上に送り返されます。バッテリーパックに障害が発生すると、自動的にバックアップバッテリーパックに切り替わります。

このページには、機械翻訳の内容が含まれています。