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燃料電池

1838
  • William Grove
ウィリアム・グローブによる初期の燃料電池装置。物理化学における電気化学の原理を紹介している。.

(画像はイメージです)

燃料電池は、燃料(通常は水素)と酸化剤(多くの場合酸素)の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学装置です。電池とは異なり、動作には燃料と酸化剤の継続的な外部供給が必要です。主要構成要素は、陽極、陰極、およびそれらを隔ててイオン輸送を促進する電解質です。

The fundamental operation of a fuel cell involves two simultaneous redox reactions. At the anode (the negative electrode), the fuel (e.g., hydrogen) is oxidized, releasing electrons and creating positive ions. For a hydrogen fuel cell, this reaction is [latex]2H_2 \rightarrow 4H^+ + 4e^-[/latex]. These electrons cannot pass through the electrolyte; instead, they are forced to travel through an external circuit, creating a usable electric current. The ions, however, migrate through the electrolyte to the cathode (the positive electrode). At the cathode, the oxidizing agent (e.g., oxygen from the air) reacts with the incoming ions and electrons to form a waste product, which is typically water in a hydrogen fuel cell. The cathode reaction is [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O[/latex].

このプロセスは直接的なエネルギー変換であり、中間燃焼段階を経ることなく、化学ポテンシャルエネルギーを電気エネルギーに直接変換します。これは、カルノーサイクルによって制限され、大量のエネルギーを廃熱として失う従来の熱機関(内燃機関など)に比べて大きな利点です。電解質は、その特性によって燃料電池の種類が決まる重要な構成要素です。電解質は、輸送するように設計された特定のイオン(例えば、プロトン、水酸化物イオン、酸化物イオン)に対しては優れた導体である一方、電子に対しては劣った導体である必要があり、それによってセル内部での短絡を防ぎます。

UNESCO Nomenclature: 2203
物理化学

タイプ

物理デバイス

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ヘンリー・キャベンディッシュによる水素の発見(1766年)
  • ジョセフ・プリーストリーとカール・ヴィルヘルム・シェーレによる酸素の発見(1774年頃)
  • invention of the voltaic pile by Alessandro Volta (1800)
  • マイケル・ファラデーによる電気分解の法則の定式化(1833年)

アプリケーション

  • 自動車推進システム(燃料電池車)
  • 定置型発電
  • 携帯型電源装置
  • データセンターおよび通信事業者向けのバックアップ電源システム
  • 宇宙船や遠隔地への電力供給

特許:

  • US391381A (Francis Bacon, 1959, for alkaline fuel cell)

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連: 燃料電池、電気化学、水素、酸素、陽極、陰極、電解質、酸化還元反応、直接エネルギー変換、ウィリアム・グローブ。

歴史的背景

燃料電池

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1836
1839-01-01
1842
1847
1850

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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