연료 전지에 대해 들어본 적이 있을 것입니다. . 2003년 부시 대통령은 수소 연료 계획(HFI)이라는 프로그램을 발표했습니다. 국정연설 중. 2005년 에너지 정책법(EPACT 2005) 및 2006년 고급 에너지 이니셔티브의 법률에 의해 지원되는 이 이니셔티브는 2020년까지 연료 전지 차량을 실용적이고 비용 효율적으로 만들기 위해 수소, 연료 전지 및 기반 시설 기술을 개발하는 것을 목표로 합니다. 미국은 지금까지 연료 전지 연구 및 개발에 10억 달러 이상을 투자했습니다.
그렇다면 연료 전지는 정확히 무엇입니까? 정부, 민간 기업 및 학술 기관이 협력하여 개발 및 생산하는 이유는 무엇입니까? 연료 전지는 오염 없이 조용하고 효율적으로 전력을 생산합니다. 화석 연료를 사용하는 동력원과 달리 작동 중인 연료 전지의 부산물은 열과 물입니다. 하지만 어떻게 합니까?
이 기사에서 우리는 기존 또는 새로운 연료 전지 기술 각각에 대해 간략히 살펴볼 것입니다. 고분자 전해질 막 연료 전지 (PEMFC ) 작동하고 연료 전지가 다른 형태의 발전과 어떻게 비교되는지 조사합니다. 또한 연구원들이 연료 전지를 실용적이고 저렴하게 사용하기 위해 직면한 몇 가지 장애물을 탐구하고 연료 전지의 잠재적인 응용 프로그램에 대해 논의할 것입니다.
그것에 대해 기술하고 싶다면 연료 전지는 전기화학적 에너지 변환 장치입니다. . 연료 전지는 화학 물질인 수소와 산소를 물로 변환하고 그 과정에서 전기를 생산합니다.
우리 모두에게 친숙한 또 다른 전기화학 장치는 배터리입니다. 배터리 내부에는 모든 화학 물질이 저장되어 있으며 이러한 화학 물질도 전기로 변환합니다. 즉, 배터리가 결국 "고장나서" 버리거나 재충전해야 합니다.
연료 전지를 사용하면 화학 물질이 지속적으로 전지로 흘러 들어가 절대 죽지 않습니다. 전지에 화학 물질이 흐르는 한 전지에서 전기가 흐릅니다. 오늘날 사용되는 대부분의 연료 전지는 화학 물질로 수소와 산소를 사용합니다.
다음 섹션에서는 다양한 유형의 연료 전지를 살펴보겠습니다.
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연료 전지는 도시 발전소의 가스터빈, 자동차의 가솔린 엔진, 노트북의 배터리를 비롯한 많은 다른 에너지 변환 장치와 경쟁합니다. 터빈 및 가솔린 엔진과 같은 연소 엔진은 연료를 연소시키고 가스 팽창에 의해 생성된 압력을 사용하여 기계적 작업을 수행합니다. 배터리는 필요할 때 화학 에너지를 다시 전기 에너지로 변환합니다. 연료 전지는 두 가지 작업을 더 효율적으로 수행해야 합니다.
연료 전지는 모터, 조명 또는 여러 전기 제품에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 DC(직류) 전압을 제공합니다.
연료 전지에는 여러 가지 유형이 있으며 각각 다른 화학 물질을 사용합니다. 연료 전지는 일반적으로 작동 온도와 전해질 유형에 따라 분류됩니다. 그들은 사용합니다. 일부 유형의 연료 전지는 고정식 발전소에서 사용하기에 적합합니다. 다른 것들은 작은 휴대용 응용 프로그램이나 자동차에 전원을 공급하는 데 유용할 수 있습니다. 연료 전지의 주요 유형은 다음과 같습니다.
에너지부(DOE)는 PEMFC를 운송 응용 분야의 가장 유력한 후보로 꼽고 있습니다. PEMFC는 전력 밀도가 높고 작동 온도가 비교적 낮습니다(섭씨 60~80도 또는 화씨 140~176도). 작동 온도가 낮다는 것은 연료 전지가 예열되어 전기를 생산하기 시작하는 데 그리 오랜 시간이 걸리지 않는다는 것을 의미합니다. 다음 섹션에서 PEMFC를 자세히 살펴보겠습니다.
이 연료 전지는 공장이나 마을에 전기를 공급할 수 있는 대규모 고정식 발전기에 가장 적합합니다. 이러한 유형의 연료 전지는 매우 높은 온도(섭씨 700~1,000도)에서 작동합니다. 이러한 고온은 연료 전지의 부품이 반복적으로 켜고 끄기를 반복한 후에 고장날 수 있기 때문에 신뢰성에 문제를 만듭니다. 그러나 고체 산화물 연료 전지는 연속 사용 시 매우 안정적입니다. 실제로 SOFC는 특정 작동 조건에서 연료 전지 중 가장 긴 작동 수명을 입증했습니다. 고온은 또한 장점이 있습니다. 연료 전지에서 생성된 증기는 터빈으로 보내져 더 많은 전기를 생성할 수 있습니다. 이 과정을 열병합 발전(CHP)이라고 합니다. 시스템의 전반적인 효율성을 향상시킵니다.
이것은 연료 전지에 대한 가장 오래된 설계 중 하나입니다. 미국 우주 프로그램은 1960년대부터 그것들을 사용해 왔습니다. AFC는 오염에 매우 취약하므로 순수한 수소와 산소가 필요합니다. 또한 가격이 매우 비싸서 이러한 유형의 연료 전지는 상용화되기 어려울 것입니다.
SOFC와 마찬가지로 이러한 연료 전지는 대형 고정식 발전기에도 가장 적합합니다. 그들은 섭씨 600도에서 작동하므로 더 많은 전력을 생성하는 데 사용할 수 있는 증기를 생성할 수 있습니다. 고체 산화물 연료 전지보다 작동 온도가 낮기 때문에 이러한 이국적인 재료가 필요하지 않습니다. 이렇게 하면 디자인이 조금 더 저렴해집니다.
인산 연료 전지는 소형 고정식 발전 시스템에 사용할 가능성이 있습니다. 고분자 교환막 연료전지보다 높은 온도에서 작동하기 때문에 예열 시간이 더 깁니다. 이로 인해 자동차에서 사용하기에 부적합합니다.
메탄올 연료 전지는 작동 온도 면에서 PEMFC와 비슷하지만 효율적이지 않습니다. 또한 DMFC는 촉매 역할을 하기 위해 상대적으로 많은 양의 백금이 필요하기 때문에 이러한 연료 전지를 고가로 만듭니다.
다음 섹션에서는 DOE가 미래 차량에 전력을 공급하는 데 사용할 계획인 연료 전지인 PEMFC에 대해 자세히 살펴보겠습니다. .
연료 전지의 발명William Grove 경은 1839년에 최초의 연료 전지를 발명했습니다. Grove는 물을 통해 전류를 보내 수소와 산소로 분리될 수 있다는 것을 알고 있었습니다(전기분해라고 하는 과정). ). 그는 절차를 반대로 하면 전기와 물을 생산할 수 있다고 가정했습니다. 그는 원시적인 연료 전지를 만들고 가스 볼타 배터리라고 불렀습니다. . 그의 새로운 발명품을 실험한 후, 그로브는 그의 가설을 증명했습니다. 50년 후 과학자 Ludwig Mond와 Charles Langer는 연료 전지라는 용어를 만들었습니다. 전기를 생산하는 실용적인 모델을 구축하려고 시도하는 동안.
고분자 교환막 연료 전지 (PEMFC)는 가장 유망한 연료 전지 기술 중 하나입니다. 이러한 유형의 연료 전지는 아마도 자동차, 버스 및 심지어 집에 전력을 공급하게 될 것입니다. PEMFC는 모든 연료 전지의 가장 간단한 반응 중 하나를 사용합니다. 먼저 PEM 연료 전지에 무엇이 들어 있는지 살펴보겠습니다.
그림 1에서 PEMFC의 네 가지 기본 요소가 있음을 알 수 있습니다.
그림 가압 수소 가스(H2 ) 애노드 측에서 연료 전지로 들어가는 것. 이 가스는 압력에 의해 촉매를 통과하게 됩니다. H2일 때 분자가 촉매의 백금과 접촉하면 두 개의 H + 로 분할됩니다. 이온과 두 개의 전자(e - ). 전자는 양극을 통해 전도되어 외부 회로를 통과하여(모터 회전과 같은 유용한 작업 수행) 연료 전지의 음극 측으로 돌아갑니다.
한편, 연료전지의 캐소드측에는 산소가스(O2 ) 두 개의 산소 원자를 형성하는 촉매를 통해 강제됩니다. 이 원자들 각각은 강한 음전하를 띠고 있습니다. 이 음전하는 두 개의 H + 를 끌어당깁니다. 이온은 막을 통해 산소 원자 및 외부 회로의 전자 2개와 결합하여 물 분자(H2 오).
단일 연료 전지에서 이 반응은 약 0.7볼트만 생성합니다. 이 전압을 합리적인 수준까지 올리려면 많은 개별 연료 전지를 결합하여 연료 전지 스택을 형성해야 합니다. . 바이폴라 플레이트 하나의 연료 전지를 다른 연료 전지에 연결하는 데 사용되며 산화 및 감소 조건과 가능성. 양극판의 큰 문제는 안정성입니다. 금속 양극판은 부식될 수 있으며 부식 부산물(철 및 크롬 이온)은 연료 전지 멤브레인 및 전극의 효율성을 감소시킬 수 있습니다. 저온 연료 전지는 경량 금속을 사용합니다. , 흑연 및 탄소/열경화성 복합재 (열경화성 수지란 고온에도 강성을 유지하는 플라스틱의 일종) 양극판 소재로 사용됩니다.
다음 섹션에서는 연료 전지 차량이 얼마나 효율적인지 알아보겠습니다.
연료전지의 화학양극 측 :2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
음극 쪽 :O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
순 반응 :2H₂ + O₂ → 2H₂O
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오염 감소는 연료 전지의 주요 목표 중 하나입니다. 연료 전지 구동 자동차를 가솔린 엔진 자동차 및 배터리 구동 자동차와 비교함으로써 오늘날 연료 전지가 자동차의 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는지 알 수 있습니다.
세 가지 유형의 자동차 모두 동일한 구성 요소(타이어, 변속기 등)가 많기 때문에 자동차의 해당 부분을 무시하고 기계적 동력이 발생하는 지점까지 효율을 비교합니다. 연료 전지 자동차부터 시작하겠습니다. (이러한 효율성은 모두 근사치이지만 대략적인 비교를 할 수 있을 만큼 충분히 가까워야 합니다.)
연료 전지가 순수 수소로 구동되는 경우 최대 80% 효율이 될 수 있습니다. 즉, 수소의 에너지 함량의 80%를 전기 에너지로 변환합니다. 그러나 우리는 여전히 전기 에너지를 기계적 작업으로 변환해야 합니다. 이것은 전기 모터와 인버터에 의해 수행됩니다. 모터/인버터의 효율에 대한 합리적인 수치는 약 80%입니다. 그래서 우리는 전기를 생산하는 데 80%의 효율성을 가지고 있고, 이를 기계적인 동력으로 변환하는 데 80%의 효율성을 가지고 있습니다. 이는 약 64%의 전체 효율성을 제공합니다. . 혼다의 FCX 컨셉트 차량은 60%의 에너지 효율을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다.
연료 소스가 순수한 수소가 아닌 경우 차량에도 리포머가 필요합니다. 개질기는 탄화수소 또는 알코올 연료를 수소로 바꿉니다. 그들은 열을 발생시키고 수소 이외의 다른 가스를 생성합니다. 그들은 수소를 정화하기 위해 다양한 장치를 사용하지만 그럼에도 불구하고 나오는 수소는 순수하지 않아 연료 전지의 효율을 떨어 뜨립니다. 개질기가 연료 전지 효율성에 영향을 미치기 때문에 DOE 연구는 수소 생산 및 저장과 관련된 문제에도 불구하고 순수 수소 연료 전지 차량에 집중하기로 결정했습니다.
다음으로 휘발유 및 배터리 구동 자동차의 효율성에 대해 알아보겠습니다.
수소수소는 우주에서 가장 흔한 원소입니다. 그러나 수소는 원소 형태로 지구에 자연적으로 존재하지 않습니다. 엔지니어와 과학자는 화석 연료나 물을 포함한 수소 화합물에서 순수한 수소를 생산해야 합니다. 이러한 화합물에서 수소를 추출하려면 에너지를 발휘해야 합니다. 필요한 에너지는 열, 전기 또는 빛의 형태로 제공될 수 있습니다.
가솔린 자동차의 효율성은 놀라울 정도로 낮습니다. 배기로 나오거나 라디에이터로 들어가는 모든 열은 낭비되는 에너지입니다. 엔진은 또한 다양한 펌프, 팬 및 발전기를 돌리는 데 많은 에너지를 사용하여 계속 작동합니다. 따라서 자동차 가스 엔진의 전체 효율은 약 20%입니다. . 즉, 가솔린의 열에너지 함량 중 약 20%만이 기계적 작업으로 전환됩니다.
배터리로 구동되는 전기 자동차는 상당히 높은 효율을 가지고 있습니다. 배터리 효율은 약 90%이며(대부분의 배터리는 약간의 열을 발생시키거나 가열해야 함) 전기 모터/인버터의 효율은 약 80%입니다. 이는 약 72%의 전체 효율성을 제공합니다. .
그러나 그것이 전부는 아닙니다. 자동차에 전력을 공급하는 데 사용되는 전기는 어딘가에서 생성되어야 했습니다. 연소 과정(원자력, 수력, 태양열 또는 풍력이 아닌)을 사용하는 발전소에서 생성된 경우 발전소에 필요한 연료의 약 40%만 전기로 변환됩니다. 자동차를 충전하는 과정은 교류(AC) 전력을 직류(DC) 전력으로 변환해야 합니다. 이 프로세스의 효율성은 약 90%입니다.
그래서 전체 주기를 보면 전기차의 효율은 자동차 72%, 발전소 40%, 자동차 충전 90%입니다. 이는 26%의 전체 효율성을 제공합니다. . 전체 효율은 사용되는 발전소의 종류에 따라 크게 다릅니다. 예를 들어 자동차용 전기가 수력 발전소에서 생성되는 경우 기본적으로 무료이며(생산하기 위해 연료를 사용하지 않음) 전기 자동차의 효율은 약 65% .
Scientists are researching and refining designs to continue to boost fuel cell efficiency. One approach is to combine fuel cell and battery-powered vehicles. Ford Motors and Airstream are developing a concept vehicle powered by a hybrid fuel cell drivetrain named the HySeries Drive . Ford claims the vehicle has a fuel economy comparable to 41 miles per gallon. The vehicle uses a lithium battery to power the car, while the fuel cell recharges the battery.
Fuel-cell vehicles are potentially as efficient as a battery-powered car that relies on a non-fuel-burning power plant. But reaching that potential in a practical and affordable way might be difficult. In the next section, we will examine some of the challenges of making a fuel-cell energy system a reality.
Golden CatalystsNanoscale science may provide fuel cell developers with some much sought after answers. For example, gold is usually an unreactive metal. However, when reduced to nanometer size, gold particles can be as effective a catalyst as platinum.
Fuel cells might be the answer to our power problems, but first scientists will have to sort out a few major issues:
Chief among the problems associated with fuel cells is how expensive they are. Many of the component pieces of a fuel cell are costly. For PEMFC systems, proton exchange membranes, precious metal catalysts (usually platinum), gas diffusion layers, and bipolar plates make up 70 percent of a system's cost [Source:Basic Research Needs for a Hydrogen Economy]. In order to be competitively priced (compared to gasoline-powered vehicles), fuel cell systems must cost $35 per kilowatt. Currently, the projected high-volume production price is $73 per kilowatt [Source:Garland]. In particular, researchers must either decrease the amount of platinum needed to act as a catalyst or find an alternative.
Researchers must develop PEMFC membranes that are durable and can operate at temperatures greater than 100 degrees Celsius and still function at sub-zero ambient temperatures. A 100 degrees Celsius temperature target is required in order for a fuel cell to have a higher tolerance to impurities in fuel. Because you start and stop a car relatively frequently, it is important for the membrane to remain stable under cycling conditions. Currently membranes tend to degrade while fuel cells cycle on and off, particularly as operating temperatures rise.
Because PEMFC membranes must by hydrated in order to transfer hydrogen protons, researches must find a way to develop fuel cell systems that can continue to operate in sub-zero temperatures, low humidity environments and high operating temperatures. At around 80 degrees Celsius, hydration is lost without a high-pressure hydration system.
The SOFC has a related problem with durability. Solid oxide systems have issues with material corrosion. Seal integrity is also a major concern. The cost goal for SOFC?s is less restrictive than for PEMFC systems at $400 per kilowatt, but there are no obvious means of achieving that goal due to high material costs. SOFC durability suffers after the cell repeatedly heats up to operating temperature and then cools down to room temperature.
The Department of Energy?s Technical Plan for Fuel Cells states that the air compressor technologies currently available are not suitable for vehicle use, which makes designing a hydrogen fuel delivery system problematic.
In order for PEMFC vehicles to become a viable alternative for consumers, there must be a hydrogen generation and delivery infrastructure. This infrastructure might include pipelines, truck transport, fueling stations and hydrogen generation plants. The DOE hopes that development of a marketable vehicle model will drive the development of an infrastructure to support it.
Three hundred miles is a conventional driving range (the distance you can drive in a car with a full tank of gas). In order to create a comparable result with a fuel cell vehicle, researchers must overcome hydrogen storage considerations, vehicle weight and volume, cost, and safety.
While PEMFC systems have become lighter and smaller as improvements are made, they still are too large and heavy for use in standard vehicles.
There are also safety concerns related to fuel cell use. Legislators will have to create new processes for first responders to follow when they must handle an incident involving a fuel cell vehicle or generator. Engineers will have to design safe, reliable hydrogen delivery systems.
Researchers face considerable challenges. In the next section, we will explore why the United States and other nations are investing in research to overcome these obstacles.
Aromatic-based MembranesAn alternative to current perfluorosulfonic acid membranes are aromatic-based membranes. Aromatic in this case does not refer to the pleasing scent of the membrane -- it actually refers to aromatic rings like benzene, pyridine or indole. These membranes are more stable at higher temperatures, but still require hydration. What?s more, aromatic-based membranes swell when they lose hydration, which can affect the fuel cell's efficiency.
Why is the U.S. government working with universities, public organizations and private companies to overcome all the challenges of making fuel cells a practical source for energy? More than a billion dollars has been spent on research and development on fuel cells. A hydrogen infrastructure will cost considerably more to construct and maintain (some estimates top 500 billion dollars). Why does the president think fuel cells are worth the investment?
The main reasons have everything to do with oil. America must import 55 percent of its oil. By 2025 this is expected to grow to 68 percent. Two thirds of the oil Americans use every day is for transportation. Even if every vehicle on the street were a hybrid car, by 2025 we would still need to use the same amount of oil then as we do right now [Source:Fuel Cells 2000]. In fact, America consumes one quarter of all the oil produced in the world, though only 4.6 percent of the world population lives here [Source:National Security Consequences of U.S. Oil Dependency].
Experts expect oil prices to continue to rise over the next few decades as more low-cost sources are depleted. Oil companies will have to look in increasingly challenging environments for oil deposits, which will drive oil prices higher.
Concerns extend far beyond economic security. The Council on Foreign Relations released a report in 2006 titled "National Security Consequences of U.S. Oil Dependency." A task force detailed numerous concerns about how America's growing reliance on oil compromises the safety of the nation. Much of the report focused on the political relationships between nations that demand oil and the nations that supply it. Many of these oil rich nations are in areas filled with political instability or hostility. Other nations violate human rights or even support policies like genocide. It is in the best interests of the United States and the world to look into alternatives to oil in order to avoid funding such policies.
Using oil and other fossil fuels for energy produces pollution. Pollution issues have been in the news a lot recently -- from the film "An Inconvenient Truth" to the announcement that climate change and global warming would factor into future adjustments of the Doomsday Clock. It is in the best interest for everyone find an alternative to burning fossil fuels for energy.
Fuel cell technologies are an attractive alternative to oil dependency. Fuel cells give off no pollution, and in fact produce pure water as a byproduct. Though engineers are concentrating on producing hydrogen from sources such as natural gas for the short-term, the Hydrogen Initiative has plans to look into renewable, environmentally-friendly ways of producing hydrogen in the future. Because you can produce hydrogen from water, the United States could increasingly rely on domestic sources for energy production.
Other countries are also exploring fuel-cell applications. Oil dependency and global warming are international problems. Several countries are partnering to advance research and development efforts in fuel cell technologies. One partnership is The International Partnership for the Hydrogen Economy.
Clearly scientists and manufacturers have a lot of work to do before fuel cells become a practical alternative to current energy production methods. Still, with worldwide support and cooperation, the goal to have a viable fuel cell-based energy system may be a reality in a couple of decades.
A Fuel Cell That Runs on WasteEnvironmental engineers at Pennsylvania State University developed a fuel cell that runs on wastewater. The cell uses microbes to break down organic matter. The matter in turn releases hydrogen and electrons. The fuel cell can break down approximately 80 percent of the organic matter in wastewater, and like PEMFCs the output is heat and pure water. The energy generated by the fuel cell could help power a water treatment plant pump system.
International Partnership for the Hydrogen Economy
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