Как работают водородные топливные элементы

16

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.

Вклад DENSO

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.

Водород — топливо будущего

Популярность электромобилей в последнее время несколько задвинула на второй план авто на топливных элементах. Тем не менее водород готовится дать бой электричеству, и сегодня мы посмотрим на перспективы этого элемента в энергетическом будущем планеты. Водород — это самый простой и распространенный химический элемент во вселенной, на долю которого приходится 74% всей известной нам материи. Именно водород используется звездами, в том числе и Солнцем, для высвобождения огромного количества энергии в результате термоядерных реакций.

Несмотря на свою простоту и распространенность, на Земле водород в свободной форме не встречается. За счет своего легкого веса он либо поднимается в верхние слоя атмосферы, либо вступает в связь с другими химическими элементами, например с кислородом, образуя воду.

Интерес к водороду, как к альтернативному источнику энергии, в последние десятилетия вызван двумя факторами. Во-первых, загрязнением окружающей среды ископаемым топливом, являющимся основным источником энергии на данном этапе развития цивилизации. И, во-вторых, тем фактом что запасы ископаемого топлива ограничены и по оценкам экспертов будут истощены приблизительно через шестьдесят лет.

Водород, как впрочем и некоторые другие альтернативы, является решением вышеперечисленных проблем. Использование водорода приводит к нулевым загрязнениям, поскольку в результате выделения энергии побочными продуктами являются лишь тепло и вода, которые могут быть использованы повторно для других целей. Запасы водорода также очень сложно истощить, учитывая что он составляет 74% вещества во Вселенной, а на Земле входит в состав воды, которой покрыто две трети поверхности планеты.

Получение водорода

В отличие от ископаемых источников энергии (нефти, угля, природных газов), водород не является готовым к использованию источником энергии, а считается ее носителем. То есть взять водород в чистом виде как уголь и использовать для получения энергии невозможно, необходимо сначала потратить некоторую энергию для того чтобы получить чистый водород пригодный для использования в топливных элементах.

Поэтому водород нельзя сравнивать с ископаемыми источниками энергии и более коректна аналогия с батареями, которые предварительно необходимо зарядить. Правда батареи перестают работать после разряда, а водородные элементы могут производить энергию до тех пор пока будут снабжаться топливом (водородом).

Наиболее распространенным и недорогим методом получения водорода считается паровой риформинг, в котором используются углеводороды (вещества состоящие исключительно из углерода и водорода). Во время реакции воды и метана (CH4) при высоких температурах выделяется большое количество водорода. Недостатком метода является то, что побочным продуктом реакции является углекислый газ, поступающий в атмосферу точно так же как и при сжигании ископаемого топлива, что соответственно не снижает выбросы парниковых газов несмотря на использование альтернативного источника энергии..

Возможно и прямое применение некоторых природных газов непосредственно в водородных топливных элементах в качестве альтернативы. Это позволяет не затрачивать энергию на получение водорода из газа. Стоимость таких топливных элементов будет ниже, однако при работе на природном газе в атмосферу также будут попадать парниковые газы и другие токсические элементы, что не делает такие газы полноценной заменой водороду.

Получить водород можно и в процессе электролиза. При пропускании электрического тока через воду, происходит ее разделение на составляющие химические элементы в результате чего получают водород и кислород.

Помимо привычных способов сейчас тщательно исследуются альтернативные пути получения водорода. Например, при наличии солнечного освещения продуктом жизнедеятельности некоторых водорослей и бактерий также может быть водород. Некоторые из этих бактерий могут производить водород прямо из обычных бытовых отходов. Несмотря на относительно низкую эффективность этого метода, возможность перерабатывать отходы делает его достаточно перспективным, особенно с учетом того что эффективность процесса постоянно повышается в результате создания новых видов бактерий.

Совсем недавно на горизонте появился еще один перспективный способ получения водорода с применением аммиака (NH3). При разделении этого химического вещества на составляющие получается одна часть азота и три части водорода. Наилучшими катализаторами таких реакций являются дорогостоящие редкие металы. Новый способ вместо одного редкого катализатора использует два доступных и недорогих вещества, соду и амиды. При этом эффективность процесса сопоставима с наиболее результативными дорогими катализаторами.

Помимо низкой стоимости данный метод примечателен и тем что аммиак проще хранить и транспортировать по сравнению с водородом. А в необходимый момент водород можно получить из аммиака просто запустив химическую реакцию. По неподтвержденным пока прогнозам использование аммиака позволит создать реактор объемом не более 2-литровой бутылки, достаточный для производства водорода из аммиака в количествах достаточных для использования автомобилем обычных размеров.

Аммиак на данный момент транспортируется в огромных количествах и широко применяется в качестве удобрения. Именно это химическое вещество делает возможным выращивание практически половины еды на Земле, и возможно в будущем станет одним из важнейших источников энергии для человечества.

Сферы применения

Водородные топливные элементы могут применяться практически в любом виде транспорта, в стационарных источниках энергии для домов, а также в небольших портативных, иногда карманных устройствах, для генерирования электричества, используемого другими мобильными устройствами.

Еще в 70-х годах прошлого столетия водород начали применять в NASA для вывода ракет и космических шатлов на орбиту Земли. Водород используется и позже для получения электричества на шатлах, а также воды и тепла в качестве побочных продуктов реакции.

На текущий момент наибольшие усилия направлены на продвижение водорода как топлива в автомобильной индустрии.

Сравнение водородных и электрических автомобилей

Водород на обывательском уровне по-прежнему принято считать опасным химическим элементом. Эта репутация закрепилась за ним после крушения дирижабля Гинденбург в 1937. Тем не менее Администрация по энергетической информации США (EIA) утверждает что в аспектах использования водорода касающихся нежелательных взрывов, этот элемент как минимум так же безопасен как и бензин.

На текущий момент очевидно, что если не произойдет очередной технологической революции, то машины ближайшего будущего будут преимущественно либо электрическими, либо водородными, либо гибридными формами этих двух технологий и бензиновых авто.

У каждого из вариантов развития автоиндустрии есть свои преимущества и недостатки. Заправочные станции под водородное топливо гораздо проще сделать на базе текущих бензиновых заправок, чего не можно сказать об инфраструктуре для электического «заряда» транспортных средств.

В определенном смысле разделение на водородные и электрические автомобили является искусственным, поскольку в обоих случаях машина использует электричество для движения. Только в электрокарах оно запасено в более привычной для нас форме непосредственно в аккумуляторах, а в топливных элементах вещество, которое в результате реакции будет переводить химическую энергию в электрическую, можно добавить в любой момент.

Заправка водородом по времени сравнима с заправкой бензином, и занимает несколько минут, а вот полный заряд электрических аккумуляторов на текущий момент в лучшем случае производится за 20-40 минут. С другой стороны электромобили обладают тем преимуществом что их можно подключать к розетке непосредственно дома, и если делать это ночью то можно экономить на электро-тарифах.

Экологичность

Поскольку ни электричество, ни водород не являются природными источниками энергии, в отличие от ископаемого топлива, то на их получение необходимо затратить энергию. Источник этой энергии и становится решающим фактором в экологичности как водородных, так и электрических автомобилях.

Для получения водорода требуется либо тепло, либо электрический ток, которые в жарких и солнечных регионах планеты могут быть получены сбором солнечной энергии. В холодных странах, например Скандинавии, уже сейчас упор делается на более подходящем для этого климата источнике зеленой энергии, на ветряных станциях, которые с таким же успехом могут принимать участие в производстве водорода с помощью электролиза. Примечательно что водород в таком случае может использоваться и для хранения неиспользуемой энергии, например при выработке ночью.

Учитывая обязательную стадию получения водорода и электричества, нулевой уровень выбросов таких автомобилей зависит от того каким способом была получена первичная энергия. Именно поэтому между обоими типами транспортных средств соблюдается паритет и ни один нельзя причислить к более экологическому средству передвижения.

Шум

Ничью можно констатировать и сравнив шумность этих видов транспорта. В отличие от традиционных, новые двигатели работают гораздо тише.

По этому поводу можно вспомнить известный закон красного флага регулирующий появление первых автомобилей в 19 веке. Согласно самым жестким формам этого закона транспортное средство без лошадей не могло перемещаться в черте города со скоростью превышающей 3.2 км/ч. При этом предвосхищяя движение автомобиля за несколько минут до его появления по дороге должен был идти человек с красным флагом, предупреждающий о появлении транспорта.

Закон красного флага был принят в связи с тем что новые транспортные средства перемещались относительно бесшумно по сравнению с каретами и могли стать причиной аварий и травм, по крайней мере по мнению судей того времени. Проблема, хоть и была преувеличена, но все же спустя полтора века мы можем стать свидетелями новых подобных законов в связи с бесшумностью новых типов двигателей. Электрокары и авто на топливных элементах вряд ли работают громче первых транспортных средств, а вот скорость их перемещения в городской черте сейчас явно выше 3 км, что делает их потенциально опасными для пешеходов. В той же Формула 1 сейчас задумываются об усилении звука моторов с помощью искусственной озвучки. Но если в автогонках это делается для повышения зрелищности, то в новых автомобилях появление искусственного источника шума может стать требованием безопасности.

Отрицательные температуры

Автомобили на топливных элементах, как и обычные бензиновые авто, испытывают определенные проблемы на морозе. Внутри самых батарей может содержаться небольшое количество воды, замерзающее при отрицательных температурах и приводящее батареи в неработоспособное состояние. После прогрева батареи будут работать нормально, однако вначале без внешнего обогрева, они либо не заводятся, либо работают некоторое время на пониженной мощности.

Дальность перемещения

Дистанция перемещения современных водородных авто составляет приблизительно 500 км, что заметно больше чем в типичных электрокарах, которые нередко могут перемещаться лишь на 150-200 км. Ситуация изменилась после появления Tesla Model S, однако даже этот электрокар способен перемещаться без дозарядки на расстояние не более 430 км.

КПД

Такие цифры достаточно неожиданны если учесть КПД соответствующих типов двигателей. Для обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет приблизительно 15%. КПД авто на топливных элементах — 50%. КПД электромобилей — 80%. На данный момент концерн General Electrics работает над топливными элементами с 65% эффективностью и утверждает что их КПД может быть повышен до 95%, что позволят запасать до 10 МВт электрической энергии (после преобразования) в одном элементе.

Вес батарей и топлива

Однако слабым местом электрокаров являются сами батареи. Например в Tesla Model S она весит 550 кг, а полный вес авто составляет 2100 кг, что на пару сотен килограм больше веса аналогичного водородного транспортного средства. Вес этой батареи к тому же не уменьшается по мере преодоления дистанции, в то время как выработанное топливо в бензиновых и водородных автомобилях постепенно делает машину легче.

Выигрывают водородные элементы и в плане хранения энергии в пересчете на единицу массы. В плане плотности энергии на единицу объема водород не так хорош. При обычных условиях этот газ содержит лишь треть энергии метана в одинаковом объеме. Естественно водород хранится при транспортировке и внутри топливных батарей в жидком или сжатом виде. Но даже в этом случае количество энергии (Мегаджоулей) в одном литре проигрывает показателям бензина.

Сильные стороны водорода проявляются при пересчете энергии на единицу веса. В этом случае он уже в три раза превосходит бензин (143 МДж/кг против 47 МДж/кг). Выигрывает водород по этому показателю и у электрических батарей. При одинаковом весе водород имеет вдвое больший запас энергии чем электрическая батарея.

Хранение и транспортировка

Определенные сложности возникают и при хранении водорода. Наиболее эффективная форма для транспортировки и хранения этого химического элемента — жидкое состояние. Однако добиться перехода газа в жидкую форму можно лишь при температуре в -253 градуса Цельсия, что требует специальных контейнеров, оборудования и немалых финансовых затрат.

2015 год

Toyota, Hyundai, Honda и другие производители авто в течение многих лет вкладывали большие средства в исследование водородных топливных элементов и в 2015 году собираются представить первые автомобили стоимость и характеристики которых позволят рассматривать их как альтернативу другим видам транспорта. Машина на топливных элементах в 2015 году должна быть среднеразмерным 4-дверным седаном с возможностью преодоления как минимум 500 км без дозаправок, которые будут длиться не более пяти минут. Стоимость такого авто должна находиться в диапазоне от $50 тыс до $100 тыс. Таким образом стоимость водородных авто снизилась на порядок в течение одного десятилетия.

Как должно быть очевидно из списка автопроизводителей, Япония станет одним из центров развития водородных автомобилей. Интересно что одним из главных рынков для этих авто станет территория отделенная от Японии гораздо большими расстояними чем близлежащий азиатский рынок.

Калифорния уже давно имеет репутацию одного из самых прогрессивных мест на планете Земля. Именно здесь законодательство часто дает зеленый свет новейшим технологиям и изобретениям. Не стало исключением и продвижение автомобилей на альтернативном топливе.

Согласно принятому закону о транспортных средствах с нулевым выбросом (ZEV — zero-emission vehicle) к 2025 15% от всех проданных автомобилей не должны производить вредных выбросов в атмосферу. Совместно с десятью другими штатами, принявшими аналогичные законы, к 2025 году на дорогах США должно находиться около 3.3 млн ZEV.

Несмотря на то что подготовка к запуску новых автомобилей идет полным ходом, на первых этапах производителям придется столкнуться с серьезными инфраструктурными проблемами . Toyota выделила $200 млн на постройку водородных заправочных станций на территории Калифорнии, однако этих средств будет достаточно для создания лишь двадцати заправочных точек в следующем году. Даже без учета большой стоимости постройки, количество заправок будет увеличиваться достаточно скромными темпами. В 2016 году их число составит 40 штук, а в 2024 — 100 штук.

Такие размеренные сроки постройки можно легко объяснить тем что провести даже небольшую технологическую революцию за один год практически невозможно. 2015 год обозначен в календаре как год начала развития водородной автоиндустрии, однако настоящую конкуренцию машины на топливных элементах смогут составить своим конкурентам скорее всего лишь с появлением второго поколения более недорогих и надежных моделей, которые ожидаются к 2020 году, и появятся на дорогах с уже более-менее развитой сетью дозаправочных станций.

Несмотря на обилие японских имен среди производителей водородных авто, интересуются этим видом транспорта на других континентах. Среди известных производителей водородные планы есть у: General Electrics, Diamler, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Volkswagen.

Итоги

Как это часто бывает, мир не делится на белое и черное, и водород не станет единственным источником энергии в будущем. Этот элемент совместно с другими альтеранитвными источниками энергии станет частью решения проблемы загрязнения окружающей среды и исчезновения природных ископаемых ресурсов. Перспектива данного вида топлива и водородных автомобилей начнет проясняться в 2015 году с появлением первых массовых авто на дорогах. Насколько они смогут конкурировать с электромобилями мы скорее всего узнаем в 2020 году по мере дальнейшего развития технологий и появления второго поколения топливных авто.

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?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

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.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

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:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

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.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

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).

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

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:

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

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.