无膜燃料电池
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无膜燃料电池
无膜燃料电池将储存的化学能转化为电能，而无需像其他类型的燃料电池那样使用导电膜。在层流燃料电池(LFFC)中，这是通过利用非混合层流现象实现的，其中两个流之间的界面充当质子/离子导体。该界面允许高扩散性并消除对昂贵膜的需求。这些电池的工作原理意味着它们只能制造成毫米级尺寸。没有膜意味着它们更便宜，但尺寸限制了它们在需要少量功率的便携式应用中的使用。另一种类型的无膜燃料电池是混合反应物燃料电池（MRFC）。与LFFC不同，MRFC使用混合燃料和电解质，因此不受相同限制。在没有膜的情况下，MRFC依赖于电极的特性来分离氧化和还原反应。通过消除膜并将反应物作为混合物输送，MRFC可能比传统的燃料电池系统更简单且成本更低。这些电池的效率通常远高于现代发电源。例如，化石燃料发电厂系统可以实现40%的电力转换效率，而过时的核电站则略低，为32%。GenIII和GenIV核裂变工厂的效率可高达90%{{Citationneeded|reason=这似乎不正确，但我不想删除它，因为我不是专家。其他来源的理论效率最高约为70%。|日期=2022年6月}}如果使用直接转换或使用磁流体动力发电机作为顶部循环效率高达65%{{需要引用|原因=再次，数字似乎很遥远。初始循环的最佳效率约为30%。迄今为止，剩余热能的捕获最多为30%，总效率最多为51%|date=June2022}}。燃料电池系统能够达到55%–70%的效率。然而，与任何工艺一样，燃料电池也因其设计和制造工艺而遭受固有损失。
概述
燃料电池由放置在两个电极（阴极和阳极）之间的电解质组成。在最简单的情况下，氢气通过阴极，在阴极分解成氢质子和电子。质子通过电解质（通常是NAFION，由杜邦公司制造）到达阳极到达氧气。同时，自由电子在电池周围移动，为给定负载供电，然后在阳极与氧和氢结合形成水。两种常见类型的电解质是质子交换膜(PEM)（也称为聚合物电解质膜）和陶瓷或固体氧化物电解质（通常用于固体氧化物燃料电池）。尽管氢和氧是非常常见的反应物，但存在大量其他反应物并且已被证明是有效的。用于燃料电池的氢气可以通过多种方式生产。美国最常见的方法（占产量的95%）是通过气体重整，特别是使用甲烷，通过高温蒸汽过程从化石燃料中生产氢气。由于化石燃料主要由各种大小的碳和氢分子组成，因此可以使用各种化石燃料。例如，甲醇、乙醇和甲烷都可以用于重整过程。电解和高温组合循环也用于从水中提供氢气，由此热和电提供足够的能量来解离氢和氧原子。然而，由于这些制氢方法通常是能源和空间密集型的，因此直接在燃料电池中使用化学品通常更方便。例如，直接甲醇燃料电池(DMFC)使用甲醇作为反应物，而不是首先使用重整来生产氢气。虽然DMFC的效率不是很高（~25%），但它们的能量密度很高，这意味着它们非常适合便携式电源应用。与气态燃料（如H2-O2电池）相比，另一个优势是液体更容易处理、运输、泵送，并且通常具有更高的比能，从而可以提取更大的功率。通常气体需要储存在高压容器或低温液体容器中，这是液体运输的一个重大缺点。
无膜燃料电池和工作原理
目前使用的大多数燃料电池技术是PEM或SOFC电池。然而，电解液通常很昂贵并且并不总是完全有效的。尽管氢技术已经有了长足的发展，但其他基于化石燃料的电池（例如DMFC）仍然受到质子交换膜缺点的困扰。例如，燃料交叉意味着需要使用低浓度，这限制了电池的可用功率。在固体氧化物燃料电池中，需要高温，这需要能量并且还会导致材料更快降解。无膜燃料电池为这些问题提供了解决方案。
扩展问题
无膜燃料电池目前正在使用MEMS/NEMS领域中的制造工艺进行微尺度制造。由于其工作原理的限制，这些单元尺寸适用于小规模。事实证明，将这些电池放大到2-10瓦范围很困难，因为在大规模时，这些电池无法维持正确的操作条件。例如，层流是这些细胞的必要条件。如果没有层流，就会发生交叉，并且需要物理电解膜。在宏观尺度上保持层流是可以实现的，但由于泵送的变化，很难保持稳定的雷诺数。
这种变化会导致反应物界面的波动，从而破坏层流并影响扩散和交叉。然而，在宏观规模上生产自泵机制可能是困难且昂贵的。为了利用疏水效应，表面需要光滑以控制水的接触角。为了大规模生产这些表面，由于所需的精密公差，成本将显着增加。还，无膜燃料电池可以利用自泵机制，但需要使用会释放GHG（温室气体）和其他有害产物的燃料。要使用环保的燃料配置（例如H2-O2），自泵可能很困难。因此，需要外部泵。然而，对于矩形通道，所需压力的增加与L-3成正比，其中L是单元的长度单位。因此，通过将电池的尺寸从10厘米减小到1厘米，所需的压力将增加1000倍。对于微型燃料电池，这种泵送要求需要高电压。尽管在某些情况下，可以诱导电渗流。然而，对于液体介质，也需要高电压。此外，随着尺寸的减小，表面张力效应也变得更加重要。
无膜燃料电池的潜在应用
燃料电池的热力学势限制了单个电池可以提供的电量。因此，为了获得更多的功率，燃料电池必须串联或并联（取决于是否需要更大的电流或电压）。对于大型建筑和汽车动力应用，可以使用大型燃料电池，因为空间不一定是限制条件。然而，对于手机和笔记本电脑等便携式设备，宏燃料电池通常效率低下，因为它们的空间要求较低，运行时间较短。然而，LFFC非常适合这些类型的应用。缺乏可以使用的物理电解膜和能量密集型燃料意味着可以以更低的成本和更小的尺寸生产LFFC。在大多数便携式应用中，