водородные топливные элементы что это
Водородная энергетика: начало большого пути
Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.
На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.
Водородные топливные элементы
Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.
Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons
Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.
Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com
С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.
С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.
Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.
Проблемы добычи
Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.
Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро
Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.
Мобильная электростанция Toshiba H2One
Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.
Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.
Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.
Монтаж системы H2One в городе Кавасаки
Водородное будущее
Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.
Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.
Из чего это сделано: водородные топливные ячейки
Найти новый источник энергии и перестать зависеть от нефти — такова задача, которую автомобильные инженеры решают уже не первый десяток лет. Современность предлагает много вариантов: более экологичный газ, продвинутый электромобиль или компромиссный гибрид. Но сегодня речь пойдет о другом решении — технологии водородных топливных ячеек.
Вода из выхлопной трубы?
Итак, есть еще один вариант того, что можно сжигать в ДВС вместо бензина или дизельного топлива, — это водород. Известно, что продуктом окисления водорода является вода. Сжигаем водород в кислороде, получаем энергию для работы поршней, а на выходе — водяной пар. Ну не прекрасно ли? И все же есть свои нюансы: водород при сгорании выделяет больше тепла, чем нефтепродукты, тем самым чересчур раскаляя двигатель. Кроме того, сгорая с воздухом, а не с чистым кислородом, он создает ряд вредных примесей. Все это не позволяет просто так сжигать водород в ДВС.
Однако есть и другое решение, предусматривающее использование водорода в качестве топлива. Еще 200 лет назад был изобретен генератор, в котором водород, соединяясь с кислородом, производит воду, а «побочным» продуктом реакции становится электричество. В двух словах принцип работы таков: объемная ячейка разделяется на две половины пластиной из особого материала, способного пропускать протоны и не пропускать электроны. В каждой из половин ячейки устанавливаются два электрода, связанные между собой в электрическую цепь. В одну половину ячейки подается водород, в другую — кислород. Катализатор, нанесенный на разделяющую мембрану, активирует реакцию водорода с кислородом; при этом атомы водорода расщепляются на протоны и электроны. Протоны проходят сквозь мембрану и, соединяясь с кислородом, дают воду. А электроны уходят в подсоединенную электрическую цепь, давая ток.
Такие водородно-кислородные топливные элементы уже применялись в космосе: они питали энергией советский многоразовый корабль «Буран».
Из космоса в автомобиль
Топливный элемент такого типа удалось приспособить и для автомобиля, причем один из первых вариантов предложили отечественные конструкторы. Компактный водородный генератор состоит из множества ячеек, принцип работы которых описан выше. Напряжение каждой ячейки низкое — от 0.6 до 1.0 В, но, если соединить ячейки последовательно, можно получить необходимое высокое напряжение.
Дальше всех в этом направлении продвинулись японские инженеры. Совместными усилиями специалистов Toyota и DENSO удалось создать эффективный водородно-воздушный генератор, который стал основой для серийной Toyota Mirai.
Система топливных ячеек вырабатывает энергию, комбинируя водород с кислородом из наружного воздуха. Японским инженерам удалось создать наиболее эффективную систему топливных элементов, достигшую высокой выходной мощности при относительной компактности и малом весе, благодаря использованию композитных баков и компактного силового оборудования.
Блок управления мощностью (PCU) Toyota Mirai производства DENSO решает, когда и как использовать производимую водородным генератором электроэнергию: часть ее система перенаправляет для хранения в литий-ионную батарею. Эта же батарея дополнительно заряжается и при рекуперации энергии торможения. При необходимости выдачи пиковой мощности (во время старта и разгона) используется как энергия водородного генератора, так и запасы батареи.
Во время работы силовой установки Mirai из трубы действительно идет дистиллированная вода — вообще никаких выбросов! Специалистам DENSO также удалось решить вопрос с быстрой и безопасной заправкой автомобиля водородом благодаря внедрению беспроводной связи с заправочной станцией, по которой передается вся информация о состоянии топлива в баках (о температуре и давлении водорода).
Запас хода Toyota Mirai второго поколения составляет внушительные 800 км (по циклу NEDC); при этом время полной заправки длится от 3 до 5 минут, что несравнимо быстрее, чем у электромобиля. Второе поколение Mirai с усовершенствованными топливными ячейками дебютировало на Токийском автосалоне два месяца назад, а уже в 2020 году этот автомобиль поступит в серийное производство.
Когда-нибудь — возможно, и не в столь отдаленном, как нам кажется, будущем — в каталоге DENSO для рынка послепродажного обслуживания автомобилей появятся, например, компоненты управления водородной силовой установкой. А пока в нем представлены более традиционные запчасти, обладающие, тем не менее, оригинальным качеством, надежностью и отличными рабочими характеристиками. Подобрать подходящие запчасти можно в нашем электронном каталоге.
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.
Что такое водородный топливный элемент как он работает?
ЧТО ТАКОЕ ВОДОРОДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И КАК ОН РАБОТАЕТ?
Водородный топливный элемент использует химическую энергию водорода для производства электроэнергии. Это чистая форма энергии, в которой электричество, тепло и вода являются единственными продуктами и побочными продуктами. Топливные элементы предлагают множество применений, от транспорта до аварийного резервного питания, и могут питать системы величиной с электростанцию или такие маленькие, как портативный компьютер.
Смотрите полное видео про водородный двигатель на нашем Youtube канале: Возможно, это лушче чем читать данную статью. А тажке ✔️ Подписывайтесь на наш youtube канал.
Топливные элементы обладают преимуществами по сравнению с традиционными технологиями сжигания, в том числе большей эффективностью и меньшими выбросами. Поскольку водородные топливные элементы выделяют только воду, выбросы углекислого газа или других загрязнителей в атмосферу отсутствуют. Топливные элементы также работают бесшумно, поскольку в них меньше движущихся частей, чем в технологиях сжигания.
Как работает водородный топливный элемент?
Водородные топливные элементы вырабатывают электричество с помощью химической реакции. Каждый топливный элемент имеет два электрода; отрицательный анод и положительный катод. Реакция производства электричества происходит на этих электродах с электролитом, несущим электрически заряженные частицы между ними, и катализатором, ускоряющим реакцию.
Водород действует как основное топливо в водородном топливном элементе, но элемент также нуждается в кислороде для работы. Одним из самых больших преимуществ этих топливных элементов является то, что они вырабатывают электроэнергию с очень низким уровнем загрязнения, поскольку водород и кислород, используемые для выработки электричества, объединяются для получения воды в качестве побочного продукта. Элементы, которые используют чистый водород в качестве топлива, полностью не содержат углерода.
Другие типы систем топливных элементов включают те, которые используют углеводородное топливо, такое как природный газ, биогаз или метанол. Поскольку в топливных элементах используется электрохимическая реакция, а не горение, они могут достигать более высокой эффективности, чем при использовании традиционных методов производства энергии. Это может быть дополнительно улучшено с помощью комбинированных генераторов тепла и энергии, которые используют отходящее тепло из ячейки для нагрева или охлаждения.
Процесс работы топливного элемента можно резюмировать следующим образом:
Отдельные топливные элементы не вырабатывают большого количества электроэнергии, поэтому они собраны в стеки для выработки энергии, достаточной для их предполагаемого назначения, будь то питание небольшого цифрового устройства или электростанции.
Топливные элементы работают как батареи, но, в отличие от батарей, они не разряжаются и не нуждаются в подзарядке и могут продолжать вырабатывать электричество, пока есть источник топлива (в данном случае водород).
водородный топливный элемент
Топливный элемент состоит из анода, катода и электролитической мембраны, поэтому в нем нет движущихся частей, что делает его бесшумным и надежным.
За и против
Проблемы, связанные с топливными элементами, включают:
Стоимость
Стоимость топливных элементов может быть высокой, учитывая использование платины в качестве одного из основных материалов для компонентов. Ведется работа по поиску подходов к использованию неплатиновых катализаторов.
Извлечение водорода
Для извлечения водорода для использования в топливных элементах может потребоваться много энергии, что подрывает экологические преимущества использования топливных элементов.
Инфраструктура
Необходимо создать инфраструктуру для поддержки роста использования топливных элементов, включая модернизацию транспортных средств.
Безопасность
Воспламеняемость водорода создает очевидные проблемы с безопасностью в связи с его широким использованием.
Для чего они нужны водородные топливные элементы?
Водородные топливные элементы предлагают широкий спектр применений, от питания наших домов и предприятий до движущихся транспортных средств, таких как автомобили, автобусы, поезда и т. Д. Вот несколько вариантов использования топливных элементов:
Мощность
Топливные элементы служат источниками энергии для различных коммерческих, промышленных и жилых помещений. Они варьируются от домов до космических кораблей и исследовательских станций. Топливные элементы особенно полезны для удаленных мест из-за отсутствия движущихся частей, а это означает, что они очень надежны и вряд ли выйдут из строя. Идеальные условия обеспечивают надежность до 99,9999%, что составляет менее одной минуты простоя каждые шесть лет.
Когенерация
Топливные элементы можно сделать еще более эффективными за счет когенерации. Здесь системы топливных элементов используются для выработки электроэнергии, а производимое отработанное тепло используется для обогрева зданий или систем охлаждения. Когенерационные системы могут достигать КПД 85% (из которых 40-60% — электрические). Однако эти системы могут быть дорогими и иметь относительно короткий срок службы, а также занимать место из-за необходимости в резервуаре для хранения горячей воды.
Транспорт
Топливные элементы могут использоваться в различных транспортных приложениях, от автомобилей до автобусов, кораблей, поездов и самолетов. Топливные элементы также используются в мотоциклах, велосипедах и скутерах.
К концу 2019 года было сдано в аренду или продано 18000 электромобилей на топливных элементах (FCEV), и эти автомобили имеют средний запас хода от 314 до 380 миль между дозаправками, а дозаправка занимает менее пяти минут, что делает эту технологию конкурентоспособной по сравнению с аккумуляторной. электромобили, которые заряжаются намного дольше. Кроме того, топливные элементы, работающие на газообразном водороде, потребляют примерно на 40% меньше энергии и выделяют на 45% меньше парниковых газов, чем двигатели внутреннего сгорания. Однако, чтобы стать действительно жизнеспособным вариантом, необходимо будет решить многие проблемы, связанные с хранением, транспортировкой и извлечением водорода.
Несмотря на проблемы, связанные с автомобилями на топливных элементах, автобусы на топливных элементах уже доказали свою эффективность, а вилочные погрузчики также являются ключевым фактором спроса на водородное топливо. Вилочные погрузчики представляют особый интерес, поскольку им часто приходится работать в помещениях, где необходимо контролировать выбросы. Это означает, что часто используются электрические вилочные погрузчики, но топливные элементы обеспечивают преимущества по сравнению с аккумуляторной батареей, включая более быструю заправку и отсутствие разрушения при низких рабочих температурах, например, в холодильных складах.
Топливные элементы также использовались для пилотируемых летательных аппаратов, часто с использованием комбинации технологий, таких как топливный элемент с протонообменной мембраной с гибридной батареей в качестве резервной копии во время испытаний. Топливные элементы все более широко используются в беспилотных летательных аппаратах, а также для обеспечения вспомогательной энергии на самолетах, заменяя ископаемое топливо для таких приложений, как запуск двигателей и питание бортовой электрики.
Топливные элементы также использовались для туристических лодок на каналах Амстердама, а военно-морские силы Германии и Италии использовали топливные элементы, чтобы подводные лодки оставались под водой в течение нескольких недель, а также улучшали бесшумную работу.
Портативная мощность
Переносные системы на топливных элементах классифицируются как имеющие вес менее 10 кг и производящие мощность менее 5 кВт. Эти типы ячеек имеют широкий спектр применений для питания небольших устройств мощностью 1-50 Вт и для более крупных генераторов мощности 1-5 кВт для удаленных мест.
Микротопливные элементы меньшего размера стремятся достичь таких рынков, как мобильные устройства и ноутбуки, с такими преимуществами, как плотность энергии и снижение веса по сравнению с литий-ионными батареями. Проникновение на рынок потребует некоторых дальнейших разработок в технологии топливных элементов для снижения затрат, но обещание увеличения времени использования между зарядками является привлекательным.
Портативные источники питания большего размера являются многообещающими для сектора досуга, военных и географически удаленных промышленных приложений, таких как метеостанции. Преимущество этих более крупных, но все же портативных наборов элементов заключается в количестве энергии, которое может быть выработано на единицу веса по сравнению с батареями.
Другие приложения
Кто изобрел водородные топливные элементы?
Щелочные топливные элементы, также известные как «топливный элемент Бэкона» по имени их изобретателя, используются НАСА с середины 1960-х годов, где они используются для обеспечения энергией спутников и космических капсул.
Как долго они хранятся?
Точный срок службы топливного элемента зависит от того, для чего он используется, а также от того, как батареи разряжаются с разной скоростью в зависимости от области применения. Однако, например, автомобили на водородных топливных элементах теперь могут в среднем от 312 до 380 миль, прежде чем им понадобится дозаправка.
Стопки топливных элементов в автомобилях рассчитаны на срок службы автомобиля, который составляет от 150 000 до 200 000 миль. По истечении срока службы топливные элементы могут быть разобраны, а материалы переработаны.
Являются ли водородные топливные элементы возобновляемым источником энергии?
Обилие водорода во Вселенной означает, что водородные топливные элементы являются возобновляемым источником энергии. Они также являются экологически чистым методом производства энергии, хотя все еще существуют некоторые опасения по поводу использования ископаемого топлива для извлечения водорода, а также потенциального углеродного следа, связанного, например, с транспортировкой водорода.
Однако технология водородных топливных элементов может стать полностью экологически чистым и возобновляемым источником энергии, с единственными побочными продуктами, являющимися теплом (которое может быть использовано где-то еще) и водой.
Кроме того, топливные элементы не разряжаются и не нуждаются в подзарядке, как аккумуляторы, при условии наличия постоянного источника топлива и кислорода.
Они опасны?
Водород имеет самый высокий диапазон воспламеняемости и самую низкую температуру воспламенения среди любого топлива, что вызывает очевидные опасения по поводу безопасности водородных топливных элементов. Однако, несмотря на это, Национальная ассоциация противопожарной защиты США определила, что водородные топливные элементы и электромобили с батарейным питанием не более опасны, чем традиционные автомобили с двигателями внутреннего сгорания.
Одна из причин этого — скорость, с которой водород рассеивается в воздухе. Водород диффундирует прямо в космос со скоростью 20 миль в час, поэтому, пока он не задерживается внутри контейнера или конструкции достаточно долго для накопления в больших количествах, он не должен быть слишком опасным.
Были также проведены испытания топливных баков с водородом в транспортных средствах, имитирующих столкновение и стрельбу в упор. Военные даже привязали реактивную гранату к баку с водородным топливом, чтобы имитировать прямое попадание, а также имитировать повреждение осколками. Во всех случаях водородное топливо оказалось не более опасным, чем жидкое топливо, а в большинстве случаев — менее опасным.
Фактически, автомобили на водородных топливных элементах могут считаться более безопасными, чем электромобили с аккумулятором (BEV). Энергия в BEV не уходит в атмосферу, как в случае с водородом, а это означает, что существует опасность возгорания или взрыва соседних элементов в более поздний момент. Также трудно потушить пожар батареи BEV, который выделяет токсичные пары.
Конечно, водородные топливные элементы широко используются для вилочных погрузчиков уже более десяти лет без каких-либо серьезных инцидентов, в то время как тысячи автомобилей на водородных топливных элементах уже находятся на наших дорогах.
При использовании на открытом воздухе водород считается более безопасным, чем другие виды топлива, но он по-прежнему может быть опасен там, где он хранится или хранится в месте, откуда он не может выйти. Тем не менее, эксперты не считают, что водород более опасен, чем другие виды топлива; все дело в том, чтобы научиться обращаться с этим безопасно.
Будущее автомобилей на водородных топливных элементах?
Есть много производителей, которые исследовали технологию водородных топливных элементов, и некоторые из них создали автомобили с водородным двигателем в небольших количествах, но смогут ли они удовлетворить наши будущие потребности в транспорте?
Водород использовался для питания двигателей в течение многих лет и является самым распространенным элементом на нашей планете, в то время как способность производить много энергии в небольшом устройстве означает, что автомобили, работающие на водороде, могут путешествовать намного дальше, чем полностью электрические автомобили. Есть также преимущества в отношении выбросов, что делает его самым чистым доступным топливом.
Спрос на более чистый транспорт очевиден: продажи электромобилей с батарейным питанием вырастут на 162% в год до ноября 2020 года по сравнению с предыдущими 12 месяцами. Однако это также означает, что многие производители инвестируют в электромобили, а не в водород. Еще одним препятствием на пути к внедрению является отсутствие инфраструктуры и слишком мало водородных заправочных станций, которые водители могут использовать для заправки бензином и дизельным топливом.
Несмотря на эти трудности, есть ряд причин, по которым водородные топливные элементы могут стать будущим автомобилей; Не в последнюю очередь это экологические преимущества, время дозаправки по сравнению с зарядкой аккумулятора и обилие топлива.
Многие производители уже рассматривают водород как дополнение к электроэнергии, которая в настоящее время производит примерно такое же количество CO2 в течение всего срока службы транспортного средства (124 г / км для электромобилей и 120 г / км для водородных топливных элементов). Однако использование биомассы для получения водорода может привести к снижению выбросов в течение жизненного цикла автомобилей на топливных элементах примерно до 60 г / км CO2; значительно ниже, чем у электромобилей.
Однако, чтобы действительно стать автомобилем будущего, водородные топливные элементы нуждаются в инвестициях в технологию и вспомогательную инфраструктуру, чтобы обеспечить легкодоступную дозаправку. Пока этого не произойдет, водородные топливные элементы не смогут конкурировать с электромобилями, бензином и дизелем.