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:

1. Атомы водорода поступают на анод, а кислород — на катод.
2. Атомы водорода разделяются на протоны и электроны на аноде.
3. Теперь положительно заряженные протоны проходят через мембрану (или электролит) к катоду, а отрицательно заряженные электроны идут другим путем, поскольку они проходят через цепь для генерации электричества.
4. Пройдя через контур и соответственно мембрану, электроны и протоны встречаются на катоде, где они соединяются с кислородом, выделяя тепло и воду в качестве побочных продуктов.

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).

Топливный элемент состоит из анода, катода и электролитической мембраны, поэтому в нем нет движущихся частей, что делает его бесшумным и надежным.

За и против

Есть ряд плюсов и минусов, связанных с водородными топливными элементами , преимущества включают:

• Долговечность
• Энергетическая безопасность
• Гибкость топлива
• Высокая эффективность
• Низкие / нулевые выбросы
• Тихая работа
• Надежность
• Масштабируемость

Проблемы, связанные с топливными элементами, включают:

1. 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.

2. Извлечение водорода

Для извлечения водорода для использования в топливных элементах может потребоваться много энергии, что подрывает экологические преимущества использования топливных элементов.

3. Инфраструктура

Необходимо создать инфраструктуру для поддержки роста использования топливных элементов, включая модернизацию транспортных средств.

4. 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Другие приложения

Перечисленные выше применения — это лишь некоторые из примеров того, как можно использовать топливные элементы. Другие приложения включают в себя питание базовых станций и сотовых станций, распределенное производство электроэнергии, системы аварийного питания в качестве резервной копии на случай выхода из строя других систем, телекоммуникации, электростанции с базовой нагрузкой, нагрев воды на солнечных водородных топливных элементах, портативные зарядные станции для небольших электронных устройств. , небольшие нагревательные приборы, консервы для пищевых продуктов для транспортных контейнеров (выведение кислорода за счет выработки электроэнергии) и электрохимические датчики.

Кто изобрел водородные топливные элементы?

Первые топливные элементы были изобретены в 1838 году сэром Уильямом Гроувом , однако прошло более века, прежде чем топливные элементы были впервые использованы в коммерческих целях, после изобретения водородно-кислородного топливного элемента Фрэнсисом Томасом Бэконом в 1932 году.

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.