Водородная ячейка: Топливные (водородные) элементы/ячейки

Топливные (водородные) элементы/ячейки

Применение топливных элементов/ячеек в системах телекоммуникации

Вследствие быстрого распространения систем беспроводной связи во всем мире, а также роста социально-экономических выгод технологии мобильных телефонов, необходимость надежного и экономичного резервного электропитания приобрела определяющее значение. Убытки электросети на протяжении года вследствие плохих погодных условий, стихийных бедствий или ограниченной мощности сети представляют собой постоянную сложную проблему для операторов сети.

Традиционные телекоммуникационные решения в области резервного электропитания включают батареи (свинцово-кислотный элемент аккумуляторной батареи с клапанным регулированием) для резервного питания в течение непродолжительного времени и дизельные и пропановые генераторы для более продолжительного резервного питания. Батареи являются относительно дешевым источником резервного питания на 1 – 2 часа.

Однако батареи не подходят для более продолжительного резервного питания, так как их техническое обслуживание является дорогим, они становятся ненадежными после долгой эксплуатации, чувствительны к температурам и опасны для окружающей среды после утилизации. Дизельные и пропановые генераторы могут обеспечить продолжительное резервное электропитание. Однако генераторы могут быть ненадежными, требуют трудоемкого технического обслуживания, выделяют в атмосферу высокие уровни загрязнений и газов, вызывающих парниковый эффект.

С целью устранения ограничений традиционных решений в области резервного электропитания была разработана инновационная технология экологически чистых топливных ячеек. Топливные ячейки надежны, не производят шума, содержат меньше подвижных деталей, чем генератор, имеют более широкий диапазон рабочих температур, чем батарея: от -40°C до +50°C и, как результат, обеспечивают чрезвычайно высокий уровень энергосбережения. Кроме того, затраты на такую установку на протяжении срока эксплуатации ниже затрат на генератор. Более низкие затраты на топливную ячейку являются результатом всего одного посещения с целью технического обслуживания в год и значительно более высокой производительностью установки. В конце концов, топливная ячейка представляет собой экологически чистое технологическое решение с минимальным воздействием на окружающую среду.

Установки на топливных ячейках обеспечивают резервное электропитание для критически важных инфраструктур сети связи для беспроводной, постоянной и широкополосной связи в системе телекоммуникаций, в диапазоне от 250 Вт до 15 кВт, они предлагают множество непревзойденных инновационных характеристик:

  • НАДЕЖНОСТЬ – малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания
  • ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
  • ТИШИНА – низкий уровень шумов
  • УСТОЙЧИВОСТЬ
    – рабочий диапазон от -40°C до +50°C
  • АДАПТИВНОСТЬ – установка на улице и в помещении (контейнер/защитный контейнер)
  • ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ – до 15 кВт
  • НИЗКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ – минимальное ежегодное техническое обслуживание
  • ЭКОНОМИЧНОСТЬ — привлекательная совокупная стоимость владения
  • ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ – низкий уровень выбросов с минимальным воздействием на окружающую среду

Система все время чувствует напряжение шины постоянного тока и плавно принимает критические нагрузки, если напряжение шины постоянного тока падает ниже заданного значения, определенного пользователем. Система работает на водороде, который поступает в батарею топливных ячеек одним из двух путей – либо из промышленного источника водорода, либо из жидкого топлива из метанола и воды, при помощи встроенной системы риформинга.

Электричество производится батареей топливных элементов в виде постоянного тока. Энергия постоянного тока передается на преобразователь, который преобразует нерегулируемую электроэнергию постоянного тока, исходящую от батареи топливных ячеек, в высококачественную регулируемую электроэнергию постоянного тока для необходимых нагрузок. Установка на топливных ячейках может обеспечивать резервное электропитание на протяжении многих дней, так как продолжительность действия ограничена только имеющимся в запасе количеством водорода или топлива из метанола/воды.

Топливные элементы предлагают высокий уровень энергосбережения, повышенную надежность системы, более предсказуемые эксплуатационные качества в широком спектре климатических условий, а также надежную эксплуатационную долговечность в сравнении с комплектами батарей со свинцово-кислотными элементами с клапанным регулированием промышленного стандарта. Затраты на протяжении срока эксплуатации также более низкие, вследствие значительно меньшей потребности в техническом обслуживании и замене. Топливные ячейки предлагают конечному пользователю экологические преимущества, так как затраты на утилизацию и риски ответственности, связанные со свинцово-кислотными элементами, вызывают растущее беспокойство.

На эксплуатационные характеристики электрических батарей может отрицательно повлиять широкий спектр факторов, таких как уровень зарядки, температура, циклы, срок службы и другие переменные факторы. Предоставляемая энергия будет различной в зависимости от этих факторов, ее нелегко предсказать. Эксплуатационные характеристики топливной ячейки с мембраной обмена протонов (МОПТЯ) относительно не подвержены влиянию этих факторов и могут обеспечивать критически важное электропитание, пока есть топливо. Повышенная предсказуемость является важным преимуществом при переходе на топливные ячейки для критически важных сфер использования резервного электропитания.

Топливные элементы генерируют энергию только при подаче топлива, подобно газотурбинному генератору, но не имеют подвижных деталей в зоне генерирования. Поэтому, в отличие от генератора, они не подвержены быстрому износу и не требуют постоянного технического обслуживания и смазки.

Топливо, используемое для приведения в действие преобразователя топлива с повышенной продолжительностью действия, представляет собой топливную смесь из метанола и воды. Метанол является широкодоступным, производимым в промышленных масштабах топливом, которое в настоящее время имеет множество применений, среди прочего стеклоомыватели, пластиковые бутылки, присадки для двигателя, эмульсионные краски. Метанол легко транспортируется, может смешиваться с водой, обладает хорошей способностью к биоразложению и не содержит серы. Он имеет низкую точку замерзания (-71°C) и не распадается при длительном хранении.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи

Сети засекреченной связи нуждаются в надежных решениях в области резервного электропитания, которые могут функционировать на протяжении нескольких часов или нескольких дней в чрезвычайных ситуациях, если электросеть перестала быть доступной.

При наличии незначительного числа подвижных деталей, а также отсутствии снижения мощности в режиме ожидания, инновационная технология топливных ячеек предлагает привлекательное решение в сравнении с существующими в настоящий момент системами резервного электропитания.

Самым неопровержимым доводом в пользу применения технологии топливных ячеек в сетях связи является повышенная общая надежность и безопасность. Во время таких происшествий, как отключения электропитания, землетрясения, бури и ураганы, важно, чтобы системы продолжали работать и были обеспечены надежной подачей резервного электропитания на протяжении длительного периода времени, независимо от температуры или срока эксплуатации системы резервного электропитания.

Линейка устройств электропитания на основе топливных ячеек идеально подходит для поддержки сетей засекреченной связи. Благодаря заложенным в конструкцию принципам энергосбережения, они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до нескольких дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных

Надежное электропитание для сетей передачи данных, таких как сети высокоскоростной передачи данных и оптико-волоконные магистрали, имеет ключевое значение во всем мире. Информация, передаваемая по таким сетям, содержит критически важные данные для таких учреждений, как банки, авиакомпании или медицинские центры. Отключение электропитания в таких сетях не только представляет опасность для передаваемой информации, но и, как правило, приводит к значительным финансовым потерям. Надежные инновационные установки на топливных ячейках, обеспечивающие резервное электропитание, предоставляют надежность, необходимую для обеспечения непрерывного электропитания.

Установки на топливных ячейках, работающие на жидкой топливной смеси из метанола и воды, обеспечивают надежное резервное электропитание с повышенной продолжительностью действия, вплоть до нескольких дней. Кроме того, эти установки отличаются значительно сниженными требованиями в отношении технического обслуживания в сравнении с генераторами и батареями, необходимо лишь одно посещение с целью технического обслуживания в год.

Типичные характеристики мест применений для использования установок на топливных ячейках в сетях передачи данных:

  • Применения с количествами потребляемой энергии от 100 Вт до 15 кВт
  • Применения с требованиями в отношении автономной работы > 4 часов
  • Повторители в оптико-волоконных системах (иерархия синхронных цифровых систем, высокоскоростной Интернет, голосовая связь по IP-протоколу…)
  • Сетевые узлы высокоскоростной передачи данных
  • Узлы передачи по протоколу WiMAX

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для критически важных инфраструктур сетей передачи данных в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами, позволяя повысить возможности использования на месте:

  1. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.
  2. Благодаря тихой работе, малой массе, устойчивости к перепадам температур и функционированию практически без вибраций топливные элементы можно устанавливать вне здания, в промышленных помещениях/контейнерах или на крышах.
  3. Приготовления к использованию системы на месте быстры и экономичны, стоимость эксплуатации низкая.
  4. Топливо обладает способностью к биоразложению и представляет собой экологически чистое решение для городской среды.

Применение топливных элементов/ячеек в системах безопасности

Самые тщательно разработанные системы безопасности зданий и системы связи надежны лишь настолько, насколько надежно электропитание, которое поддерживает их работу. В то время как большинство систем включает некоторые типы систем резервного бесперебойного питания для краткосрочных потерь мощности, они не создают условия для более продолжительных перерывов в работе электросети, которые могут иметь место после стихийных бедствий или терактов. Это может стать критически важным вопросом для многих корпоративных и государственных учреждений.

Такие жизненно важные системы, как системы мониторинга и контроля доступа с помощью системы видеонаблюдения (устройства чтения идентификационных карт, устройства для закрытия двери, техника биометрической идентификации и т.д.), системы автоматической пожарной сигнализации и пожаротушения, системы управления лифтами и телекоммуникационные сети, подвержены риску при отсутствии надежного альтернативного источника электропитания питания продолжительного действия.

Дизельные генераторы производят много шума, их тяжело разместить, также хорошо известно о проблемах с их надежностью и техническим обслуживанием. В противоположность этому, установка на топливных ячейках, обеспечивающая резервное электропитание, не производит шума, является надежной, выбросы, выделяемые ей, равны нулю или весьма низки, ее легко установить на крыше или вне здания. Она не разряжается и не теряет мощность в режиме ожидания. Она обеспечивает непрерывную работу критически важных систем, даже после того, как учреждение прекратит работу и здание будет покинуто людьми.

Инновационные установки на топливных ячейках защищают дорогостоящие вложения критически важных сфер применения. Они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до многих дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт в сочетании с многочисленными непревзойденными характеристиками и, особенно, высоким уровнем энергосбережения.

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для использования в критически важных сферах применения, таких как системы обеспечения безопасности и управления зданиями, в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.

Применение топливных элементов/ячеек в коммунально-бытовом отоплении и электрогенерации

На твердооксидных топливных ячейках (ТОТЯ) построены надежные, энергетически эффективные и не дающие вредных выбросов теплоэнергетические установки для выработки электроэнергии и тепла из широко доступного природного газа и возобновляемых источников топлива. Эти инновационные установки используется на самых различных рынках, от домашней выработки электричества до поставок электроэнергии в удаленные районы, а также в качестве вспомогательных источников питания.

Эти энергосберегающие установки производят тепло для отопления помещений и подогрева воды, а также электроэнергию, которая может быть использована в доме и отведена назад в электросеть. Распределенные источники выработки электроэнергии могут включать фотогальванические (солнечные) элементы и ветровые микротурбины. Эти технологии на виду и широко известны, однако их работа зависит от погодных условий и они не могут стабильно вырабатывать электроэнергию круглый год. По мощности теплоэнергетические установки могут варьироваться от менее чем 1 кВт до 6 МВт и больше.

Применение топливных элементов/ячеек в распределительных сетях

Малые теплоэнергетические установки предназначены для работы в распределенной сети выработки энергии, состоящей из большого числа малых генераторных установок вместо одной централизованной электростанции.

На рисунке ниже указаны потери эффективности выработки электроэнергии при ее выработке на ТЭЦ и передаче в дома через традиционные сети электропередач, используемые на данный момент. Потери эффективности при централизованной выработке включают потери с электростанции, низковольтной и высоковольтной передачи, а также потери при распределении.

Рисунок показывает результаты интеграции малых теплоэнергетических установок: электричество вырабатывается с эффективностью выработки до 60% на месте использования. В дополнение к этому, домохозяйство может использовать тепло, вырабатываемое топливными ячейками, для нагрева воды и помещений, что увеличивает общую эффективность переработки энергии топлива и повышает уровень энергосбережения.

Использование топливных элементов для защиты окружающей среды-утилизация попутного нефтяного газа

Одной из важнейших задач в нефтедобывающей промышленности является утилизация попутного нефтяного газа. Существующие методы утилизации попутного нефтяного газа имеют массу недостатков, основной из них – они экономически невыгодны. Попутный нефтяной газ сжигается, что наносит огромный вред экологии и здоровью людей.

Инновационные теплоэнергетические установки на топливных элементах, использующие попутный нефтяной газ в качестве топлива, открывают путь к радикальному и экономически выгодному решению проблем по утилизации попутного нефтяного газа.

  1. Одно из основных преимуществ установок на топливных элементах заключается в том, что они могут надежно и устойчиво работать на попутном нефтяном газе переменного состава. Благодаря беспламенной химической реакции, лежащей в основе работы топливного элемента, снижение процентного содержания, например метана, вызывает лишь соответствующее уменьшение выходной мощности.
  2. Гибкость по отношению к электрической нагрузке потребителей, перепаду, набросу нагрузки.
  3. Для монтажа и подключения теплоэнергетических установок на топливных ячейках их внедрения не требуются идти на капитальные затраты, т.к. установки легко монтируются на неподготовленные площадки вблизи месторождений, удобны в эксплуатации, надежны и эффективны.
  4. Высокая автоматизация и современный дистанционный контроль не требуют постоянного нахождения персонала на установке.
  5. Простота и техническое совершенство конструкции: отсутствие движущихся частей, трения, систем смазки дает значительные экономические выгоды от эксплуатации установок на топливных элементах.
  6. Потребление воды: отсутствует при температуре окружающей среды до +30 °C и незначительное при более высоких температурах.
  7. Выход воды: отсутствует.
  8. Кроме того, теплоэнергетические установки на топливных элементах не шумят, не вибрируют, не дают вредных выбросов в атмосферу

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

https://ria.ru/20201210/tpu-1588428198.html

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов — РИА Новости, 10.12.2020

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают твердооксидные топливные элементы для установок, вырабатывающих электроэнергию из… РИА Новости, 10.12.2020

2020-12-10T03:00

2020-12-10T03:00

2020-12-10T03:00

наука

томск

томский политехнический университет

российская академия наук

навигатор абитуриента

университетская наука

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0c/09/1588421675_0:308:3001:1996_1920x0_80_0_0_978e2add504e70b3dd7efaa46490a8d6.jpg

МОСКВА, 10 дек — РИА Ноовсти. Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают твердооксидные топливные элементы для установок, вырабатывающих электроэнергию из углеводородного топлива или водорода. Вместе с учеными из Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) они предложили новый метод получения одного из ключевых элементов топливной ячейки — электролита. Он позволит увеличить срок службы топливных элементов, сообщили в пресс-службе вуза.По словам ученых, они впервые в России предложили использовать метод магнетронного распыления для создания электролита. С помощью этого метода они получили очень тонкий слой электролита, толщиной не более 5 микрон. Это позволило снизить температуру, при которой происходит выработка электроэнергии, на 100°С, что поможет увеличить срок службы топливных элементов.Твердооксидные топливные элементы можно считать «сердцем» водородной энергоустановки. Они превращают энергию топлива в электрическую энергию и частично в тепловую без его сжигания. Твердооксидные топливные элементы могут работать с углеводородным топливом, например, с метаном и бутаном, а также с водородом.Топливный элемент представляет собой пластину из трех слоев: катода, анода и электролита между ними. В энергетической установке на них с разных сторон подается, водород и воздух. Ионы кислорода и молекулы водорода встречаются и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Побочный продукт реакций — чистая вода.У твердооксидных топливных элементов есть два серьезных преимущества, отметил доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Андрей Соловьев.»Во-первых, у них электрический коэффициент полезного действия достигает 60%, в то время как у тепловых, газотурбинных или атомных электростанций – 40%. Во-вторых, они экологичные, поэтому на них сегодня обращают внимание во всем мире. Однако они до сих пор широко не распространены, и ученые ищут методы и способы получения еще более эффективных, надежных и дешевых топливных элементов. В Томске давно успешно развивается направление нанесения тонкопленочных покрытий методом магнетронного распыления, поэтому мы решили попробовать наносить электролит именно этим методом. И получили толщину слоя в пять микрон – один из лучших результатов среди других методов нанесения электролитов», — рассказал он.Электролит в топливном элементе играет роль барьера между молекулами водорода и кислорода, которые могут взорваться при прямом смешении. Слой электролита пропускает только нужные для безопасной реакции ионы кислорода. Сам электролит представляет собой тонкую пленку из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и оксида церия, допированного гадолинием. Наносят электролит на керамический анод.В Томском политехе для нанесения таких покрытий была создана собственная вакуумная установка магнетронного распыления.»Обычные твердооксидные топливные элементы работают при температуре около 850°С. Наши же за счет тонкого электролита – при температуре в 750°С. Снижение рабочей температуры увеличивает срок службы батареи топливных элементов, так как при меньшей температуре снижается скорость деградации материалов. Также тонкий электролит позволяет повысить плотность мощности. Это позволяет получать больше энергии при том же размере топливного элемента. Чтобы выяснить, насколько можно увеличить срок службы элементов, необходимо провести долгосрочные ресурсные испытания», — отметил Смолянский.По инициативе ТПУ был создан консорциум «Технологическая водородная долина». Его участники будут вести совместные исследования и разрабатывать технологии для получения водорода, его транспортировки, безопасного хранения и использования в энергетике. В консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.

https://ria.ru/20201028/mifi-1581726016.html

https://ria.ru/20201013/tpu-1579430871.html

томск

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0c/09/1588421675_97:0:2758:1996_1920x0_80_0_0_043ff35223a48f63ffc766a38bf949f0.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

томск, томский политехнический университет, российская академия наук, навигатор абитуриента, университетская наука

МОСКВА, 10 дек — РИА Ноовсти. Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают твердооксидные топливные элементы для установок, вырабатывающих электроэнергию из углеводородного топлива или водорода. Вместе с учеными из Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) они предложили новый метод получения одного из ключевых элементов топливной ячейки — электролита. Он позволит увеличить срок службы топливных элементов, сообщили в пресс-службе вуза.

По словам ученых, они впервые в России предложили использовать метод магнетронного распыления для создания электролита. С помощью этого метода они получили очень тонкий слой электролита, толщиной не более 5 микрон. Это позволило снизить температуру, при которой происходит выработка электроэнергии, на 100°С, что поможет увеличить срок службы топливных элементов.

Твердооксидные топливные элементы можно считать «сердцем» водородной энергоустановки. Они превращают энергию топлива в электрическую энергию и частично в тепловую без его сжигания. Твердооксидные топливные элементы могут работать с углеводородным топливом, например, с метаном и бутаном, а также с водородом.

28 октября 2020, 09:00НаукаВ России придумали новый тип накопителей водородного топлива

Топливный элемент представляет собой пластину из трех слоев: катода, анода и электролита между ними. В энергетической установке на них с разных сторон подается, водород и воздух. Ионы кислорода и молекулы водорода встречаются и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Побочный продукт реакций — чистая вода.

У твердооксидных топливных элементов есть два серьезных преимущества, отметил доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Андрей Соловьев.

«Во-первых, у них электрический коэффициент полезного действия достигает 60%, в то время как у тепловых, газотурбинных или атомных электростанций – 40%. Во-вторых, они экологичные, поэтому на них сегодня обращают внимание во всем мире. Однако они до сих пор широко не распространены, и ученые ищут методы и способы получения еще более эффективных, надежных и дешевых топливных элементов. В Томске давно успешно развивается направление нанесения тонкопленочных покрытий методом магнетронного распыления, поэтому мы решили попробовать наносить электролит именно этим методом. И получили толщину слоя в пять микрон – один из лучших результатов среди других методов нанесения электролитов», — рассказал он.

Электролит в топливном элементе играет роль барьера между молекулами водорода и кислорода, которые могут взорваться при прямом смешении. Слой электролита пропускает только нужные для безопасной реакции ионы кислорода. Сам электролит представляет собой тонкую пленку из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и оксида церия, допированного гадолинием. Наносят электролит на керамический анод.

«Суть метода магнетронного распыления заключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишени ионами рабочего газа, обычно аргона, и последующем их осаждении на подложке», — рассказал инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Егор Смолянский.

В Томском политехе для нанесения таких покрытий была создана собственная вакуумная установка магнетронного распыления.

«Обычные твердооксидные топливные элементы работают при температуре около 850°С. Наши же за счет тонкого электролита – при температуре в 750°С. Снижение рабочей температуры увеличивает срок службы батареи топливных элементов, так как при меньшей температуре снижается скорость деградации материалов. Также тонкий электролит позволяет повысить плотность мощности. Это позволяет получать больше энергии при том же размере топливного элемента. Чтобы выяснить, насколько можно увеличить срок службы элементов, необходимо провести долгосрочные ресурсные испытания», — отметил Смолянский.

13 октября 2020, 03:00НаукаВодородное топливо станет дешевле благодаря российским ученым

По инициативе ТПУ был создан консорциум «Технологическая водородная долина». Его участники будут вести совместные исследования и разрабатывать технологии для получения водорода, его транспортировки, безопасного хранения и использования в энергетике. В консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.

Поразительно водородных топливных элементов Local After-Sales Service

Просмотрите сайт Alibaba.com и откройте для себя большой выбор выдающихся. водородных топливных элементов с привлекательными предложениями. Когда вы загружены соответствующим. водородных топливных элементов, ваши процессы производства газа будут высокоэффективными. Это поможет вам достичь ваших целей как дома, так и на работе. С огромной коллекцией. водородных топливных элементов, вы всегда найдете наиболее логичный и практичный вариант, соответствующий вашим конкретным потребностям.

Все. водородных топливных элементов, доступные на Alibaba.com, могут похвастаться прочными материалами и новаторскими стилями, которые обеспечивают максимальную производительность и долговечность. Эти. водородных топливных элементов исключительно устойчивы к экстремальным температурам, что гарантирует вам максимальную производительность в различных условиях. Файл. водородных топливных элементов также характеризуются удивительными механизмами контроля давления, которые позволяют генерировать желаемое количество газа. Соответственно, вы всегда будете получать ожидаемые результаты, поскольку они демонстрируют свою номинальную эффективность.

Эти. водородных топливных элементов, предлагая невероятную эффективность, потребляют мало энергии. По этой причине они способствуют устойчивости и экономят на счетах за электроэнергию и топливо. Файл. водородных топливных элементов феноменально разработаны с точки зрения безопасности, чтобы гарантировать отсутствие утечки. Простота установки и обслуживания. водородных топливных элементов, особенно с готовой профессиональной поддержкой, делает их идеальными для многих людей и предприятий.

Если вы хотите сэкономить время и деньги, а также В то же время, когда вы делаете покупки в Интернете, покупайте высококачественные товары, и Alibaba.com — это то, что вам нужно. Изучите широкий спектр. водородных топливных элементов предлагает и соглашается на наиболее удобное для вас. Пусть ваши деньги принесут вам максимальную отдачу от ваших инвестиций.

начало большого пути / Хабр

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.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.


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 h3One.   

Мобильная электростанция Toshiba h3One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию h3One, 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 h3One 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 h3One 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 h3One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.


Монтаж системы h3One 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.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Топливные ячейки против аккумуляторов – альтернативное будущее электромобилей

В начале этого года крупный аудитор KPMG немало удивил нас результатами своего исследования. Компания опросила около 1000 топ-менеджеров от автоиндустрии и большинство из них – 78 процентов – заявили, что считают водородомобили перспективнее электромобилей на батареях. При этом 62 процента и вовсе полагают, что машины с топливными ячейками в скором времени вытеснят с рынка своих аккумуляторных собратьев.

Сразу сделаем отступление, чтобы разобраться с терминологией. Все автомобили, приводимые в движение только силой электричества, можно разделить на два больших класса. К первому относятся машины, электромоторы которых питаются от аккумуляторных батарей – именно они традиционно называются электромобилями (electric vehicles, EV, а точнее – battery electric vehicles, BEV). Аккумуляторы, разумеется, нужно заряжать, подключая их к источнику энергии, поэтому этот тип транспорта входит в «надкласс» подключаемых электрокаров (plug-in electric vehicles, PEV). K PEV относятся и гибриды, способные благодаря достаточно большой батарее перемещаться только за счет электротяги и также нуждающиеся в подзарядке от сети (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV).

«Чистые» электромобили второго класса не получают «готового» заряда от внешнего источника, а вместо этого генерируют энергию для моторов прямо на борту, в электрохимических устройствах, называемых топливными ячейками (fuel cells). Топливные элементы бывают разными по составу, но самыми перспективными для автопрома считаются водородные ячейки: электричество вырабатывается в ходе реакции водорода с атмосферным кислородом. Это стопроцентно «зеленая» технология, поскольку единственный побочный продукт – это оксид водорода, то есть обычная вода. Все это называется fuel cell vehicles (FCV) или, конкретнее, hydrogen fuel cell vehicles, а по-русски – водородомобили.

Возвращаемся к результату опроса KPMG – что в нем необычного? На самом деле – вообще все. Судите сами. EV буквально за несколько лет совершили серьезный рывок вперед: батареи стали легче и эффективнее, запас хода вырос в несколько раз, а главное, новых моделей, которые можно реально купить, становится все больше. Согласитесь – между никому не нужным GM EV1 из девяностых и долгожданной Tesla Model 3, на которую поступили сотни тысяч заказов, пролегает огромная пропасть. А что с FCV? Да, собственно, ничего – никакого существенного прорыва в водородной энергетике не наблюдается не то, что годами – десятилетиями. И причина – в самом водороде.

На эту тему написано множество статей, поэтому постараемся изложить суть проблемы максимально кратко. Да, водород – отличный энергоноситель, и построить работающий на нем автомобиль совсем не сложно: у многих компаний давно имеются ходовые прототипы, причем некоторые из них просто сжигают газ в ДВС – это все равно эффективнее, чем жечь углеводородное топливо. Однако в чистом виде водород на Земле не встречается, а получать его в нужных для автопрома объемах путем паровой конверсии природного газа, биологическими методами или банальным электролизом либо невыгодно, либо попросту невозможно. Из-за малого размера атомов хранить водород сложно и дорого – что в сжатом, что в сжиженном состоянии. К тому же опасно (слышали про гремучий газ?). По-настоящему массовое производство водородомобилей требует наличия развитой заправочной инфраструктуры – со всеми вытекающими (и просачивающимися сквозь стенки контейнеров и труб).

Иными словами, сделать один FCV, который заправляется так же быстро, как машина на бензине или солярке, имеет большой запас хода, разгоняется как EV с аккумулятором и не загрязняет окружающую среду – легко. Пересадить на подобный транспорт хотя бы один процент автомобилистов мира – теоретически можно, но пока непонятно – как. Потому-то в 2017 году серийные модели водородомобилей можно пересчитать по пальцам одной руки – Toyota Mirai, Honda Clarity, да еще Hyundai ix35/Tucson Fuel Cell, сделанный из обычного кроссовера прошлого поколения. При этом продаются перечисленные машины крошечными тиражами, а чаще и вовсе сдаются в лизинг – клиент сразу оплачивает и водород, который ему больше негде взять, и техобслуживание.

Тем не менее, водородная тема неспешно, но развивается, причем стараниями не только автопроизводителей, но и правительств. В конце прошлого года стало известно, что министерство транспорта Германии собирается потратить 250 миллионов евро на исследования в данной области и строительство заправочных станций. До того как Великобритания решила сделать ручкой Евросоюзу, английская фирма Riversimple получила от европейского правительства грант на разработку доступного двухместного водородомобиля Rasa. Но ключевую роль в этом процессе играют все-таки автогиганты. За последние год-два сразу несколько ведущих брендов активизировали свою деятельность по части FCV: показали новые, близкие к конвейеру прототипы, озвучили более-менее конкретные производственные планы.

Та же Toyota, рассчитывающая к 2050 году полностью отказаться от ДВС, намерена создать целое семейство водородных моделей на базе седана Mirai. Она уже поделилась технологией со своей премиальной «дочкой»: осенью 2015 года Lexus показал работающий на водороде концепт LF-FC. В товарном исполнении он превратился в новое поколение седана LS, у которого из «зеленых» имеется только гибридная модификация – ее вот-вот покажут в Женеве. При этом «Лексус» все-таки собирается вывести на рынок FCV к 2020 году, но это будет не седан, а кроссовер – в нем проще разместить силовую установку на водороде без ущерба для динамики.

Сотрудничающая с «Тойотой» компания BMW также заимствовала «начинку» Mirai для своих прототипов на базе 5-Series GT и i8. Кроме того, баварцы объявили о разработке нового способа сжатия водорода при особо низких температурах: он позволит вместить в баллон больше топлива, а значит – увеличить запас хода.

Hyundai уже в 2017 году должна представить преемника своего ix35/Tucson Fuel Cell. Новый FCV получит иную платформу и будет дешевле, а дальность хода при этом вырастет с 600 до 800 км. В 2021 году серийный водородомобиль появится у KIA. EVmode.ru предполагает, что обе эти модели группа Hyundai-KIA построит на той же архитектуре, которая используется в Ioniq и Niro.

Honda выбрала путь диверсификации: к Clarity FCV она добавит Clarity EV и Clarity PHEV. При этом японцы недавно вступили в новый альянс с General Motors: партнеры создадут в США совместное предприятие Fuel Cell System Manufacturing, которое будет производить топливные ячейки нового поколения. СП начнет работу в 2020 году.

Mercedes-Benz прошлым летом показал кроссовер GLC F-Cell. Это своеобразный гибрид: электромотор в нем питается и от топливных ячеек, и от литий-ионной батареи, заряда которой хватает на 48 км пути. В нынешнем году машина должна поступить в продажу в Германии, США и Японии, а в следующем к списку рынков добавится Великобритания – по крайней мере, так предполагалось изначально.

Чуть больше года назад Audi представила на выставке в Детройте кроссовер h-tron quattro. С точки зрения дизайна это тот же электромобиль e-tron quattro, но в данном случае электромоторы – 120-сильный передний и 188-сильный задний – заряжаются от топливных элементов. Трех баллонов водорода хватает на 600 км. e-tron поступит в продажу в 2018 году, h-tron – никак не раньше 2020-го.

А вот Nissan разработал для своего электрического фургона e-NV200 силовую установку на твердооксидных топливных элементах. В данном случае водород в машину не заправляется, а производится на борту из биоэтанола, работать с которым выгоднее и безопаснее. Система получила название e-Bio Fuel Cell, ориентировочная дата начала серийного производства – снова 2020 год.

Существует, конечно, и всякая FCV-экзотика, вроде 1000-сильного тягача от американского стартапа Nikola Motor или суперкара h3 Speed, который знаменитое итальянское кузовное ателье Pininfarina собирается выпустить мини-серией в 10 штук, но в нашем случае подобные инициативы можно не брать в расчет – на глобальные тенденции они никак не влияют.

Итого. Что именно может вызвать водородную революцию – по-прежнему не ясно, но боссы автопрома явно верят в ее возможность и уже начали готовиться. По большому счету, пока речь идет лишь об имиджевых проектах – заработать на аккумуляторных электрокарах компаниям значительно проще. Лично мы в редакции EVmode.ru не думаем, что FCV смогут сравняться с EV, а тем более подвинуть их с рынка в обозримом будущем. В конце концов, потенциал батарей еще и близко не раскрыт: та же BMW собирается через 10 лет перейти на твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые позволят запасать гораздо больше энергии и при этом будут легче и компактнее батарей с жидким электролитом. Поэтому гораздо более вероятным кажется сценарий сосуществования обеих технологий.

Топливные элементы (топливные ячейки)

Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения.

Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять «внутреннее преобразование» топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.

Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.

При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.

Реакция на аноде: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e
Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e => CO32-
Общая реакция элемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.

Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению», и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C.

Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.

Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e
Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e => 2H2O
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.

Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.

Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы «Джемини». Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:

Реакция на аноде: 2H2 + 4OH => 4H2O + 4e
Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e => 4OH
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.

Реакция на аноде: 2H2 + 2O2— => 2H2O + 4e
Реакция на катоде: O2 + 4e => 2O2
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.

Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.

Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.

Реакция на аноде: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e
Реакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e => 3H2O
Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.

В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло:

Реакция на аноде: 2H2 + 4OH => 4H2O + 4e
Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e => 4OH
Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O

Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы — самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов — такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.

Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H2O и CH4, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.


Водородная ячейка: что это такое, характеристики, работа и преимущества

Когда мы говорим об энергии будущего, на ум всегда приходит водород как топливо. В этом случае водородная ячейка он всегда присутствовал практически в любом разговоре, касающемся возобновляемых источников энергии и энергетического перехода. В условиях перехода к энергетике, когда вы хотите сократить потребление ископаемого топлива, вам нужна устойчивая мобильность в городе. Именно здесь важно осуществить переход на водородную батарею, поскольку она может быть ключевой в автомобилях без выбросов парниковых газов в дополнение к другим секторам.

Поэтому мы собираемся посвятить эту статью, чтобы рассказать вам все, что вам нужно знать о жизни водорода и его характеристиках.

Что такое водородный аккумулятор

Когда мы говорим о водородной батарее, мы имеем в виду электрохимическое устройство, способное преобразовывать химическую энергию топлива, которое оно хранит, в электрическую энергию. Это топливо, которое хранится для последующего преобразования в электрическую энергию, представляет собой водород. Следовательно, водородный элемент можно использовать для питания любого устройства, обладающего этими характеристиками.

Наиболее распространенное применение водородных батарей сегодня — это привод в действие двигателя электромобиля, хотя и не единственное. Пока в элементе есть топливо, он может вырабатывать энергию, а когда он пуст, он может снова пополняться.

Características principales

Мы собираемся проанализировать, какие основные части водородной ячейки:

  • Анод: это отрицательная часть сваи. Он известен под названием отрицательный полюс и отвечает за проведение электронов, которые высвобождаются из водорода, так что они могут использоваться внешней электрической цепью.
  • Катод: а — положительный полюс батареи. Он отвечает за распределение кислорода по поверхности катализатора и отталкивание всех электронов обратно. Именно благодаря этому процессу их можно перекомбинировать.
  • Электролит: он был сделан из материала, обработанного таким образом, что он может проводить только положительно заряженные ионы. В конечном итоге электролит может блокировать электроны.
  • Катализатор: Это материал, который способствует химической реакции между кислородом и водородом. Эта реакция необходима для выработки электричества. Самое нормальное, что он состоит из очень тонкого слоя наночастиц платины на копировальной бумаге или ткани.

Работа водородной ячейки

Как только мы узнаем основные характеристики и состав водородной ячейки, мы посмотрим, как она работает. Мы знаем, что водород под давлением поступает в ячейку со стороны анода. Когда водород входит, он заставляет этот газ проходить через катализатор под давлением. Когда молекула водорода входит в контакт с платиной, которая является частью компонента катализатора, он разделен на 2 протона и 2 электрона.

Электроны проходят через анод во внешнюю цепь. Именно здесь они отвечают за выполнение необходимой работы, чтобы подпитать энергию того, что дается. Например, его можно запустить для питания электродвигателя. После подачи энергии на источник они возвращаются в батарею через катодную часть. Когда мы оказываемся у катода, кислород проходит через катализатор и образует два атома кислорода, которые заряжены очень отрицательно. Этот отрицательный заряд притягивает протоны, которые были раньше, и они объединяются с двумя электронами, которые возвращаются во внешнюю цепь. Все это образует молекулу воды.

преимущество

Мы собираемся проанализировать, каковы преимущества водородных элементов по сравнению с другими видами топлива, основанными на возобновляемых источниках энергии. Некоторые из причин, по которым это топливо превосходит другие варианты, следующие:

  • Они не производят вредных выбросов: Как мы видели в описании работы батареи, водород плюс кислород генерирует электричество, а затем водяной пар. Мы знаем, что водяной пар — это парниковый газ, но он безвреден. Это потому, что это природный парниковый газ.
  • Он более эффективен, чем двигатели внутреннего сгоранияОн не только не загрязняет окружающую среду, но и более эффективно преобразует химическую энергию в электрическую. Двигатель внутреннего сгорания должен преобразовывать химическую энергию топлива в тепло и эту механическую энергию, способную привести двигатель в движение. Это вызывает явление, известное как «узкое место» при перегреве. Это явление ограничивается прямым преобразованием энергии водородным элементом.
  • У них нет движущихся частей: отсутствие неподвижной части делает его намного более надежным, чем двигатель внутреннего сгорания. В двигателе внутреннего сгорания есть много деталей, которые могут выйти из строя.
  • Водород можно производить гораздо более экологически чистым способом— В отличие от ископаемого топлива, водород можно производить более чистым способом. Это способствует тому, что он становится более экологически чистой альтернативой энергии.

Недостатки водородной ячейки

Как и почти у любого источника энергии, возобновляемого или нет, есть и некоторые недостатки. И дело в том, что этот тип альтернативного источника энергии представляет собой ряд проблем, которые на данный момент не позволяют ему получить широкое распространение во всем мире. Посмотрим, в чем заключаются эти недостатки:

  • Его цена высока: Хотя водорода довольно много, использование его в виде батареи по-прежнему неэкономично при существующих технологиях.
  • Легковоспламеняющийся: Безопасность водородных элементов остается проблемой, поскольку они могут загореться в любой момент.
  • Сложно хранить и транспортировать: В отличие от других видов топлива, таких как уголь, его сложнее хранить и транспортировать.

Чистый водород можно получить из воды, но это энергоемкий процесс. В настоящее время наиболее экономичным методом является извлечение водорода из углей природных пород. По этой причине подавляющее большинство производимого водорода поступает из ископаемого топлива, поэтому его нельзя считать полностью возобновляемой энергией.

Надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о водородном аккумуляторе и его характеристиках.


Как электромобили на топливных элементах работают на водороде?

Как и полностью электрические транспортные средства, электромобили на топливных элементах (FCEV) используют электричество для питания электродвигателя. В отличие от других электромобилей, FCEV производят электроэнергию, используя топливный элемент, работающий на водороде, а не только от батареи. В процессе проектирования транспортного средства производитель транспортного средства определяет мощность транспортного средства по размеру электродвигателя (двигателей), который получает электроэнергию от комбинации топливного элемента и аккумулятора соответствующего размера.Хотя автопроизводители могут разработать FCEV с подключаемыми модулями для зарядки аккумулятора, большинство FCEV сегодня используют аккумулятор для рекуперации энергии торможения, обеспечения дополнительной мощности во время коротких ускорений и для сглаживания мощности, подаваемой от топливного элемента, с возможностью простаивайте или выключайте топливный элемент при малой потребности в мощности. Количество хранимой на борту энергии определяется размером водородного топливного бака. Это отличается от полностью электрического транспортного средства, где количество доступной мощности и энергии тесно связано с размером батареи.Узнайте больше об электромобилях на топливных элементах.

Изображение высокого разрешения

Ключевые компоненты электромобиля на водородных топливных элементах

Аккумулятор (вспомогательный): В автомобиле с электроприводом низковольтная вспомогательная батарея обеспечивает электроэнергию для запуска автомобиля до включения тяговой батареи; он также питает автомобильные аксессуары.

Блок аккумуляторов: Этот высоковольтный аккумулятор накапливает энергию, вырабатываемую рекуперативным торможением, и обеспечивает дополнительную мощность тягового электродвигателя.

Преобразователь постоянного/постоянного тока: Это устройство преобразует мощность постоянного тока более высокого напряжения от блока тяговых аккумуляторов в мощность постоянного тока более низкого напряжения, необходимую для питания автомобильных аксессуаров и подзарядки вспомогательной батареи.

Тяговый электродвигатель (FCEV): Используя энергию топливного элемента и тягового аккумулятора, этот двигатель приводит в движение колеса автомобиля. В некоторых транспортных средствах используются мотор-генераторы, которые выполняют как функции привода, так и функции регенерации.

Блок топливных элементов: Сборка отдельных мембранных электродов, которые используют водород и кислород для производства электроэнергии.

Топливозаправочная горловина: Форсунка от топливораздаточной колонки присоединяется к приемнику на автомобиле для заполнения бака.

Топливный бак (водород): Хранит газообразный водород на борту транспортного средства до тех пор, пока он не понадобится топливному элементу.

Контроллер силовой электроники (FCEV): Этот блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой топливным элементом и тяговой батареей, контролируя скорость тягового электродвигателя и создаваемый им крутящий момент.

Тепловая система (охлаждение) — (FCEV): Эта система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Трансмиссия (электрическая): Трансмиссия передает механическую энергию от тягового электродвигателя на привод колес.

топливных элементов | Департамент энергетики

Топливный элемент использует химическую энергию водорода или другого топлива для чистого и эффективного производства электроэнергии.Если водород является топливом, единственными продуктами являются электричество, вода и тепло. Топливные элементы уникальны с точки зрения разнообразия их потенциального применения; они могут использовать широкий спектр видов топлива и сырья и могут обеспечивать питанием такие большие системы, как коммунальная электростанция, и такие маленькие, как портативный компьютер.

Зачем изучать топливные элементы

Топливные элементы

могут использоваться в самых разных областях, обеспечивая электроэнергию для приложений в различных секторах, включая транспорт, промышленные/коммерческие/жилые здания и долговременное хранение энергии для сети в реверсивных системах.

Топливные элементы

имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями, основанными на сжигании, которые в настоящее время используются на многих электростанциях и в транспортных средствах. Топливные элементы могут работать с более высокой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания, и могут преобразовывать химическую энергию топлива непосредственно в электрическую энергию с эффективностью, превышающей 60%. Топливные элементы имеют более низкие или нулевые выбросы по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Водородные топливные элементы выделяют только воду, решая критические климатические проблемы, поскольку нет выбросов углекислого газа.Также отсутствуют загрязнители воздуха, создающие смог и вызывающие проблемы со здоровьем в месте эксплуатации. Топливные элементы работают бесшумно, так как в них мало движущихся частей.

Как работают топливные элементы

Топливные элементы работают как батареи, но они не разряжаются и не нуждаются в подзарядке. Они производят электричество и тепло до тех пор, пока подается топливо. Топливный элемент состоит из двух электродов — отрицательного электрода (или анода) и положительного электрода (или катода), зажатых вокруг электролита.К аноду подается топливо, например водород, а к катоду – воздух. В водородном топливном элементе катализатор на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые идут разными путями к катоду. Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая поток электричества. Протоны мигрируют через электролит к катоду, где они объединяются с кислородом и электронами с образованием воды и тепла. Узнать больше о:

Посмотрите анимацию топливных элементов Управления по водородным и топливным элементам, чтобы увидеть, как они работают.

Цели исследований и разработок

Министерство энергетики США (DOE) тесно сотрудничает со своими национальными лабораториями, университетами и отраслевыми партнерами, чтобы преодолеть критические технические препятствия на пути разработки топливных элементов. Стоимость, производительность и долговечность по-прежнему являются ключевыми проблемами в отрасли топливных элементов. Просмотрите соответствующие ссылки, которые предоставляют подробную информацию о деятельности топливных элементов, финансируемой Министерством энергетики.

  • Стоимость — Исследования, разработка и демонстрация (RD&D) сосредоточены на разработке недорогих блоков топливных элементов и баланса компонентов завода (BOP), а также передовых подходов к крупносерийному производству для снижения общей стоимости системы.Платина представляет собой один из самых больших компонентов стоимости топливного элемента с мембраной из полимерного электролита, работающего на водороде, поэтому особое внимание уделяется подходам, которые повысят активность и коэффициент использования, а также снизят содержание существующих катализаторов из металлов платиновой группы (МПГ) и сплавов МПГ, а также а также подходы катализатора без МПГ для долгосрочного применения.
  • Производительность — Чтобы повысить эффективность и производительность топливных элементов, RD&D фокусируется на инновационных материалах и стратегиях интеграции.Усилия включают разработку электролитов для ионообменных мембран с повышенной эффективностью и долговечностью при сниженной стоимости; совершенствование мембранно-электродных узлов (МЭБ) с высокой удельной мощностью за счет интеграции современных компонентов МЭБ; моделирование для понимания конструкции системы и условий эксплуатации; и разработка стеков с высокой эффективностью при номинальной мощности и высокопроизводительных компонентов противовыбросового превентора, таких как компоненты управления воздухом с низкими паразитными потерями.
  • Долговечность — Применения топливных элементов обычно требуют адекватной работы для поддержания в течение длительных периодов времени.Министерство энергетики установило конечные цели по сроку службы системы топливных элементов в реальных условиях эксплуатации: 8 000 часов для легковых автомобилей, 30 000 часов для большегрузных автомобилей и 80 000 часов для систем с распределенным питанием. В наиболее требовательных приложениях требуется надежность и устойчивость системы в динамичных и суровых условиях эксплуатации. Реальные условия эксплуатации включают пуск и останов, замораживание и оттаивание, примеси в топливе и воздухе, а также влажность и циклы динамических нагрузок, которые приводят к нагрузкам на химическую и механическую стабильность материалов и компонентов системы топливных элементов.Исследования и разработки сосредоточены на выявлении и понимании механизмов деградации топливных элементов, а также на разработке материалов и стратегий для смягчения их последствий.

Технические задачи

Загрузите раздел «Топливные элементы» Многолетнего плана исследований, разработок и демонстраций Управления технологий производства водорода и топливных элементов, чтобы получить полную информацию о технических целях. Выполняется крупное обновление этого документа.

Детали топливного элемента

Топливные элементы с мембраной из полимерного электролита (PEM) в настоящее время находятся в центре внимания исследований в области применения топливных элементов в транспортных средствах.Топливные элементы PEM состоят из нескольких слоев различных материалов. Основные части топливного элемента PEM описаны ниже.

Основой топливного элемента PEM является узел мембранного электрода (MEA), который включает в себя мембрану, слои катализатора и газодиффузионные слои (GDL).

Аппаратные компоненты, используемые для включения МЭУ в топливный элемент, включают прокладки, которые обеспечивают уплотнение вокруг МЭУ для предотвращения утечки газов, и биполярные пластины, которые используются для сборки отдельных топливных элементов с ПОМ в блок топливных элементов и обеспечивают каналы для газообразное топливо и воздух.

Мембранный электрод в сборе

Мембрана, слои катализатора (анод и катод) и диффузионная среда вместе образуют мембранно-электродный узел (MEA) топливного элемента PEM.

Полимерно-электролитная мембрана

Мембрана из полимерного электролита, или PEM (также называемая протонообменной мембраной) — специально обработанный материал, внешне похожий на обычную кухонную пластиковую пленку, — проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны.PEM является ключом к технологии топливных элементов; он должен пропускать только необходимые ионы между анодом и катодом. Другие вещества, проходящие через электролит, нарушили бы химическую реакцию. Для транспортных применений мембрана очень тонкая — в некоторых случаях менее 20 микрон.

Слои катализатора

На обе стороны мембраны нанесен слой катализатора — анодный слой с одной стороны и катодный слой с другой. Обычные каталитические слои включают частицы платины нанометрового размера, диспергированные на углеродном носителе с большой площадью поверхности.Этот платиновый катализатор на носителе смешивают с ионопроводящим полимером (иономером) и помещают между мембраной и GDL. Со стороны анода платиновый катализатор позволяет расщеплять молекулы водорода на протоны и электроны. Что касается катода, платиновый катализатор обеспечивает восстановление кислорода за счет реакции с протонами, генерируемыми анодом, с образованием воды. Иономер, смешанный со слоями катализатора, позволяет протонам проходить через эти слои.

Газодиффузионные слои

GDL располагаются вне слоев катализатора и облегчают перенос реагентов в слой катализатора, а также удаление образующейся воды.Каждый GDL обычно состоит из листа углеродной бумаги, углеродные волокна которого частично покрыты политетрафторэтиленом (ПТФЭ). Газы быстро диффундируют через поры в ГДС. Эти поры остаются открытыми благодаря гидрофобному ПТФЭ, который предотвращает чрезмерное накопление воды. Во многих случаях внутренняя поверхность GDL покрыта тонким слоем углерода с большой площадью поверхности, смешанного с PTFE, который называется микропористым слоем. Микропористый слой может помочь отрегулировать баланс между удержанием воды (необходимым для поддержания проводимости мембраны) и выделением воды (необходимым для того, чтобы поры оставались открытыми, чтобы водород и кислород могли диффундировать в электроды).

Оборудование

МЭА — это часть топливного элемента, в которой вырабатывается энергия, но для обеспечения эффективной работы МЭА необходимы аппаратные компоненты.

Биполярные пластины

Каждый отдельный МЭА выдает менее 1 В при типичных рабочих условиях, но для большинства приложений требуется более высокое напряжение. Поэтому несколько МЭУ обычно соединяют последовательно, укладывая их друг на друга, чтобы обеспечить полезное выходное напряжение. Каждая ячейка в стеке зажата между двумя биполярными пластинами, чтобы отделить ее от соседних ячеек.Эти пластины, которые могут быть изготовлены из металла, углерода или композитных материалов, обеспечивают электрическую проводимость между ячейками, а также физическую прочность пакета. Поверхности пластин обычно содержат «поле потока», которое представляет собой набор каналов, выточенных или выштампованных в пластине, чтобы позволить газам проходить через МЭБ. Дополнительные каналы внутри каждой пластины могут использоваться для циркуляции жидкого хладагента.

Прокладки

Каждый МЭУ в блоке топливных элементов зажат между двумя биполярными пластинами, но по краям МЭУ должны быть добавлены прокладки для газонепроницаемого уплотнения.Эти прокладки обычно изготавливаются из каучукового полимера.

Системы топливных элементов | Департамент энергетики

Конструкция систем топливных элементов сложна и может значительно различаться в зависимости от типа топливного элемента и области применения. Однако во многих системах топливных элементов можно найти несколько основных компонентов:

Блок топливных элементов

Блок топливных элементов является сердцем энергетической системы топливных элементов. Он генерирует электричество в виде постоянного тока (DC) в результате электрохимических реакций, происходящих в топливном элементе.Один топливный элемент вырабатывает менее 1 В, чего недостаточно для большинства приложений. Поэтому отдельные топливные элементы обычно объединяются последовательно в пакет топливных элементов. Типичный блок топливных элементов может состоять из сотен топливных элементов. Количество энергии, производимой топливным элементом, зависит от нескольких факторов, таких как тип топливного элемента, размер элемента, температура, при которой он работает, и давление газов, подаваемых в элемент. Узнайте больше о частях топливного элемента.

Топливный процессор

Топливный процессор преобразует топливо в форму, пригодную для использования топливным элементом.В зависимости от топлива и типа топливного элемента топливный процессор может представлять собой простой слой сорбента для удаления примесей или комбинацию нескольких реакторов и сорбентов.

Если система питается от богатого водородом обычного топлива, такого как метанол, бензин, дизельное топливо или газифицированный уголь, обычно используется установка риформинга для преобразования углеводородов в газовую смесь соединений водорода и углерода, называемую «риформат». Во многих случаях продукт риформинга затем направляется в ряд реакторов для преобразования монооксида углерода в диоксид углерода и удаления любых следов оставшегося монооксида углерода, а также в слой сорбента для удаления других примесей, таких как соединения серы, перед тем, как его отправят в реактор. стопка топливных элементов.Этот процесс предотвращает связывание примесей в газе с катализаторами топливных элементов. Этот процесс связывания также называют «отравлением», поскольку он снижает эффективность и продолжительность жизни топливного элемента.

Некоторые топливные элементы, такие как топливные элементы с расплавленным карбонатом и твердым оксидом, работают при температурах, достаточно высоких, чтобы топливо могло реформироваться в самом топливном элементе. Этот процесс называется внутренним реформированием. Топливные элементы, в которых используется внутренний риформинг, по-прежнему нуждаются в ловушках для удаления примесей из нереформированного топлива до того, как оно попадет в топливный элемент.Как внутренний, так и внешний риформинг выделяют углекислый газ, но из-за высокой эффективности топливных элементов выделяется меньше углекислого газа, чем в двигателях внутреннего сгорания, таких как те, которые используются в автомобилях с бензиновым двигателем.

Стабилизаторы напряжения

Формирование мощности включает управление током (ампер), напряжением, частотой и другими характеристиками электрического тока для удовлетворения потребностей приложения. Топливные элементы производят электричество в виде постоянного тока (DC).В цепи постоянного тока электроны движутся только в одном направлении. Электричество в вашем доме и на рабочем месте имеет форму переменного тока (AC), который течет в обоих направлениях по переменным циклам. Если топливный элемент используется для питания оборудования, использующего переменный ток, постоянный ток необходимо преобразовать в переменный.

Необходимо кондиционировать питание как переменного, так и постоянного тока. Инверторы тока и кондиционеры адаптируют электрический ток от топливного элемента в соответствии с электрическими потребностями приложения, будь то простой электродвигатель или сложная энергосистема.Преобразование и кондиционирование лишь незначительно снижают эффективность системы, примерно на 2–6%.

Воздушные компрессоры

Характеристики топливных элементов улучшаются по мере увеличения давления газов-реагентов; поэтому многие системы топливных элементов включают воздушный компрессор, который повышает давление впускного воздуха в 2–4 раза по сравнению с атмосферным давлением окружающей среды. Для транспортных применений воздушные компрессоры должны иметь КПД не менее 75%. В некоторых случаях также включается расширитель для рекуперации мощности выхлопных газов высокого давления.КПД детандера должен быть не менее 80%.

Увлажнители

Мембрана из полимерного электролита в основе топливного элемента PEM плохо работает в сухом состоянии, поэтому многие системы топливных элементов включают увлажнитель входящего воздуха. Увлажнители обычно состоят из тонкой мембраны, которая может быть изготовлена ​​из того же материала, что и ПОМ. Подача сухого входящего воздуха с одной стороны увлажнителя и влажного отработанного воздуха с другой стороны позволяет рециркулировать воду, производимую топливным элементом, для обеспечения хорошей гидратации PEM.

Автомобили на водородных топливных элементах | Агентство по охране окружающей среды США

Транспортные средства на водородных топливных элементах (FCV) похожи на электромобили (EV) тем, что они используют электродвигатель вместо двигателя внутреннего сгорания для привода колес. Однако, в то время как электромобили работают от аккумуляторов, которые необходимо подключить для перезарядки, FCV вырабатывают электроэнергию на борту. В топливном элементе газообразный водород (H 2 ) из топливного бака автомобиля соединяется с кислородом (O 2 ) из воздуха для выработки электроэнергии с использованием только воды и тепла в качестве побочных продуктов процесса.

Узнайте, как работают топливные элементы

Наличие

Несколько производителей автомобилей продают или сдают в аренду FCV на отдельных рынках, в основном в Калифорнии, где уже существует несколько водородных заправочных станций. Водородная инфраструктура также появляется в других местах по всей стране. Станции планируются или строятся на северо-востоке и на Гавайях, а транзитные автобусы на топливных элементах уже курсируют по улицам таких городов, как Бостон, штат Массачусетс, и Флинт, штат Мичиган.В ближайшие несколько лет планируется расширить предложения FCV по мере роста инфраструктуры и развития технологий.

Посмотреть доступные модели автомобилей на топливных элементах

Узнайте, где в США расположены водородные заправочные станции

Знаете ли вы?

Водородное топливо можно производить из воды. В процессе, называемом электролизом, электричество используется для разделения воды на H 2 и O 2 . Электричество может поступать из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца.

Выбросы

Как и электромобили, FCV являются транспортными средствами с нулевым уровнем выбросов — у них нет выбросов, связанных со смогом или парниковыми газами. Выбросы образуются в процессе производства и транспортировки водородного топлива.

Хотя во Вселенной много водорода, его необходимо отделить от других соединений, чтобы использовать в качестве топлива. Этот процесс может быть энергоемким. Количество выбросов, связанных с производством водородного топлива, зависит от источника водорода и метода производства.В настоящее время большая часть водорода, используемого в качестве топлива, поступает из природного газа, но водородное топливо также можно производить из воды, нефти, угля и растительного сырья. Водород можно производить даже из мусора! В пилотных проектах для производства водородного топлива использовался свалочный газ и сточные воды.

Узнайте о различных способах производства водородного топлива

Узнайте больше о выбросах при производстве водорода

Заправка и тренировочное поле

Заправка водородного FCV аналогична заправке бензобака.Просто прикрепите насадку к специальному диспенсеру с водородом на общественной станции и заполните бак. Время заправки также одинаковое: FCV можно заправить всего за 5 минут.

Некоторые FCV могут проехать более 300 миль на одном баке водородного топлива, что больше, чем расстояние от Сент-Луиса до Чикаго, а экономия топлива составляет около 70 миль на галлон (миль на эквивалент бензинового галлона).

Узнайте больше о моделях автомобилей на топливных элементах

Узнать больше

Маск называет водородные топливные элементы «глупыми», но технология может угрожать Tesla

Клиент заправляет автомобиль водородом на заправочной станции TrueZero в Милл-Вэлли, Калифорния.Штат тратит более 2,5 миллиардов долларов в фонды чистой энергии для ускорения продаж автомобилей на водороде и аккумуляторных батареях. Сюда входит 900 миллионов долларов, предназначенных для завершения строительства 200 водородных станций и 250 000 зарядных станций к 2025 году.

Bloomberg | Блумберг | Getty Images

Тесла и ее конкуренты на рынке электромобилей с батарейным питанием доминируют в спорах о том, кто будет контролировать будущее автомобилей, но есть еще один вид экологически чистых транспортных технологий, который проникает в Соединенные Штаты, и он основан на наиболее распространенном ресурс во Вселенной.

Электромобили на топливных элементах (FCEV) объединяют водород, хранящийся в баке, с кислородом из воздуха для производства электроэнергии с водяным паром в качестве побочного продукта. В отличие от более распространенных электромобилей с батарейным питанием, автомобили на топливных элементах не нужно подключать к розетке, а дальность хода всех современных моделей на полном баке превышает 300 миль. Они заправляются через форсунку почти так же быстро, как и традиционные бензиновые и дизельные автомобили. В то время как сами автомобили на топливных элементах выбрасывают только водяной пар из своих выхлопных труб, Союз обеспокоенных ученых отмечает, что производство водорода может привести к загрязнению окружающей среды.Хотя количество возобновляемых источников водорода, таких как сельскохозяйственные угодья и мусорные свалки, увеличивается, большая часть водорода, используемого в качестве топлива, поступает из традиционной добычи природного газа. Тем не менее, отдача все же меньше, чем у бензиновых аналогов.

Водородная энергетика присутствует на рынке уже много лет, но ее мощность крайне ограничена. В настоящее время в Калифорнии насчитывается 39 общественных водородных заправочных станций (еще 25 находятся в стадии разработки), а также пара на Гавайях. Теперь Восточное побережье обзаводится собственной инфраструктурой.Несколько станций запущены и работают, и еще больше находится в разработке в Нью-Йорке, Нью-Джерси, Массачусетсе, Коннектикуте и Род-Айленде.

Коммерческий успех, проблемы потребителей

Водород более популярен на коммерческом рынке. Более 23 000 вилочных погрузчиков на топливных элементах работают на складах и в распределительных центрах по всей территории США в более чем 40 штатах, в том числе на предприятиях Amazon и Walmart. Десятки автобусов на топливных элементах используются или планируются в Огайо, Мичигане, Иллинойсе и Массачусетсе, а также в Калифорнии.

Потребительские водородные заправочные станции увеличиваются во всем мире. Toyota и Honda объединяются с правительством Квебека для строительства водородной инфраструктуры в Монреале в этом году, и даже богатая нефтью Саудовская Аравия строит свою первую станцию.

Toyota, второй по величине автопроизводитель в мире, является крупнейшим игроком на потребительском рынке автомобилей на водородных топливных элементах в США. Его Mirai — семейный автомобиль на водородных топливных элементах — нашел 5000 покупателей с момента его представления осенью 2015 года.Расс Кобл, представитель группы экологических и передовых технологий Toyota, сказал, что компания ожидает увеличения продаж по мере открытия новых заправочных станций.

«Toyota уже давно утверждает, что технология водородных топливных элементов может быть решением с нулевым уровнем выбросов для широкого спектра типов транспортных средств», — сказал он.

Toyota говорит, что масштабируемость технологии водородных топливных элементов также привела к двум заявкам на технико-экономическое обоснование в Калифорнии в другой области, представляющей интерес для Tesla: грузовики с полуприцепом.

Полуприцеп Toyota Motor, работающий на водородных топливных элементах, представлен на выставке AutoMobility в Лос-Анджелесе перед автосалоном в Лос-Анджелесе

Патрик Т. Фэллон | Блумберг | Getty Images

Honda также взяла на себя большие обязательства по использованию водорода. По словам представителя Honda Натали Кумаратне, в настоящее время на дорогах США находится около 1100 автомобилей Honda Clarity Fuel Cell. Honda предлагает в аренду только Clarity Fuel Cell в Калифорнии — она предлагает аккумуляторную электроэнергию и гибридные версии автомобиля в аренду или на продажу.Из 20 174 автомобилей Clarity, проданных или сданных в аренду в 2018 году, 624 были вариантами на топливных элементах, 948 — с электрическим аккумулятором и 18 602 — с подключаемым гибридом.

Honda и Toyota объединились с дочерней компанией Shell Oil для строительства новых водородных заправочных станций в Калифорнии. По словам Кумаратне, на данный момент построено два, а еще пять находятся в работе. Компания выступает за строительство станций на северо-востоке США, несколько из которых находятся в стадии разработки. «Партнерство с другими производителями водородных топливных элементов и авторитетами в отрасли имеет смысл.Мы все заинтересованы в этом», — сказала она.

Hyundai, которая в настоящее время имеет 220 автомобилей на водородных топливных элементах на дорогах США, , также видит рост продаж. «Мы ожидаем, что Северо-Восток станет следующим крупным регионом рост водородной инфраструктуры», — сказал Дерек Джойс, представитель корейского производителя продукции и группы передовых силовых агрегатов. рынок.

По состоянию на 1 февраля в США было продано и сдано в аренду чуть более 6000 электромобилей на топливных элементах, что вдвое больше Японии, следующего по величине рынка.

Маск о водородных «дурацких элементах»

Соучредитель и генеральный директор Tesla Илон Маск назвал водородные топливные элементы «невероятно глупыми», и это не единственное негативное высказывание, которое он сказал об этой технологии. Он назвал их «дурацкими ячейками», «кучей мусора» и сказал акционерам Tesla на ежегодном собрании много лет назад, что «успех просто невозможен.

Маск нашел неожиданный источник поддержки в 2017 году, когда Йошикадзу Танака, главный инженер, отвечающий за Mirai, сказал Reuters: «Илон Маск прав — лучше заряжать электромобиль напрямую от сети». Исполнительный директор добавил, что водород является жизнеспособной альтернативой бензину. Председатель Toyota Такеши Утиямада сказал агентству Рейтер на том же автосалоне в Токио в 2017 году: «Мы действительно не видим враждебных отношений с «нулевой суммой» между EV (электромобилем с батарейным питанием) и водородный автомобиль.Мы вовсе не собираемся отказываться от технологии водородных электрических топливных элементов». KPMG обнаружили, что водородные топливные элементы имеют лучшее долгосрочное будущее, чем электромобили, и станут «настоящим прорывом» (78 процентов), а руководители автомобильных компаний назвали короткое время дозаправки всего в несколько минут в качестве основного преимущества. 62% сказали KPMG, что проблемы с инфраструктурой приведут к краху рынка электромобилей с батарейным питанием.

В Калифорнии продолжаются дебаты о том, окупили ли субсидии, предложенные государством для запуска рынка топливных элементов, инвестиции, судя по ограниченному использованию заправочных станций и отсутствию прибыли. Калифорния привержена усилиям, начатым бывшим губернатором Джерри Брауном, по финансированию инициатив в области возобновляемых источников энергии, которые включали план создания автомобилей с нулевым уровнем выбросов на сумму 900 миллионов долларов и финансирование инфраструктуры зарядки электромобилей, включая 200 водородных станций к 2025 году.

Мы могли видеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи, а также обеспечивают гораздо большую дальность действия.

Дэвид Антонелли

Кафедра физической химии Ланкастерского университета

GM не выпустила автомобиль на топливных элементах для потребительского рынка, но у нее есть совместное предприятие с Honda по производству блоков топливных элементов на заводе в Мичигане, сделка, которая началась в 2013 году и расширилась в 2017 году, когда обе компании заявили, что завод в Мичигане, где производятся топливные батареи, сможет производить автомобили, начиная с 2020 года.

Ford экспериментировал с вариантами топливных элементов для автомобилей Focus и Fusion, а также Edge кроссовер, но не предлагает такие автомобили для продажи.

«Учитывая неуклонно растущую долю возобновляемых источников энергии, водородные топливные элементы могут сыграть важную роль в будущем», — сказал представитель Ford. «Однако с точки зрения широкого выхода на рынок батарея в настоящее время находится в более выгодном положении, чем топливный элемент — не в последнюю очередь из-за ситуации с затратами и доступной инфраструктуры. Наша работа будет по-прежнему сосредоточена на электрификации, поскольку мы следим за прогрессом водорода. В настоящее время у нас нет планов предлагать автомобили на водородных топливных элементах».

Fiat Chrysler не продает автомобили на топливных элементах в США.S., но в течение 15 лет он поддерживал исследования под руководством профессора Дэвида Антонелли, заведующего кафедрой физической химии в Ланкастерском университете в Великобритании, которые могли снизить стоимость технологии. Его команда работает с материалом, который позволяет топливным бакам быть меньше, дешевле и более энергоемкими, чем существующие технологии водородного топлива, а также автомобили с батарейным питанием.

«Стоимость производства нашего материала настолько низка, а плотность энергии, которую он может хранить, настолько выше, чем у литий-ионной батареи, что мы могли бы увидеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи, а также обеспечивает гораздо большую дальность», — сказал Антонелли.Технология была лицензирована для коммерческой компании под названием Kubagen, созданной Антонелли.

Модель автомобиля и цены на заправку остаются большими проблемами

Безопасность вызывает беспокойство, так как водород легко воспламеняется, как и бензин и литий-ионные батареи. Транспортировка водорода для использования на заправочных станциях создает дополнительные риски для безопасности — на станциях используются датчики для контроля утечек. В Калифорнии не было зарегистрировано серьезных инцидентов, а промышленный сектор транспортировал водород на протяжении десятилетий.

По данным Национальной ассоциации противопожарной защиты, транспортные средства на альтернативном топливе, в категорию которых входят как водородные топливные элементы, так и электрические аккумуляторы, не более опасны, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания. Статистика NFPA показывает, что примерно каждые 3 минуты в США происходит возгорание автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.

Однако самым большим препятствием может быть стоимость.

Средняя цена на водородное топливо в Калифорнии составляет около $16/кг — бензин продается галлонами (объем), а водород — килограммами (вес).Чтобы представить это в перспективе, 1 галлон бензина имеет примерно такое же количество энергии, как 1 кг водорода. Большинство электромобилей на топливных элементах несут от 5 до 6 кг водорода, но проезжают в два раза больше, чем современный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания с эквивалентным газом в баке, что соответствует эквиваленту бензина на галлон от 5 до 6 долларов.

По данным Агентства по охране окружающей среды (EPA), автомобили на водородных топливных элементах в настоящее время имеют запас хода в среднем от 312 до 380 миль. Их заправка из пустого места будет стоить около 80 долларов (большинство водителей не позволяют баку полностью опустошиться перед заправкой, поэтому в конечном итоге заправка обойдется в 55–65 долларов).В настоящее время эту стоимость оплачивают автопроизводители, которые предоставляют арендаторам предоплаченные карты на три года заправки на сумму до 15 000 долларов. В Калифорнии, где цены на бензин самые высокие в стране, заправка обычного автомобиля с большим бензобаком может стоить 40 долларов и более.

Kelley Blue Book оценивает ежегодные затраты на топливо для Toyota Mirai, Honda Clarity Fuel Cell и Hyundai Nexo в 4495 долларов, что в три-четыре раза превышает стоимость бензиновых альтернатив.

«Мы понимаем, что автопроизводители не могут продолжать платить за топливо, и мы видим прямой путь к этому, но это масштабная игра, и нам нужно набрать критическую массу», — сказал Шейн Стивенс, директор и руководитель отдела разработки. сотрудник компании FirstElement Fuel, которая управляет 19 из 39 водородных заправочных станций в Калифорнии и строит 12 из 25 дополнительных станций для штата.Ближайшая цель его компании — 10 долларов за кг, что соответствует примерно 4 долларам за галлон газа. «Это хороший краткосрочный приемлемый показатель, который можно будет достичь в ближайшие три-пять лет и избавить людей от топлива, субсидируемого автопроизводителями», — сказал Стивенс.

Самая большая проблема: Машины остаются дорогими. Nexo, например, является самым дорогим Hyundai, продаваемым в США, со стартовой ценой в 59 345 долларов (стартовые цены на Santa Fe сопоставимого размера начинаются с 24 250 долларов). Модели на топливных элементах Toyota Mirai и Honda Clarity имеют аналогичную рекомендованную производителем розничную цену в диапазоне 59 000 долларов.Покупка этих автомобилей имеет право на государственные скидки — в Калифорнии доступна налоговая скидка в размере 5000 долларов.

Лизинг был популярным выбором потребителей для электромобилей на топливных элементах и ​​батареях, потому что технология является новой, и первые пользователи не хотят быть привязанными к текущей модели в течение длительного времени по мере развития технологии и повышения эффективности.

Как и в случае с любой новой технологией, стоимость топливных элементов должна снизиться, если рынок будет расти и достигнет эффекта масштаба в производстве и инфраструктуре.«Honda имеет долгосрочную приверженность водороду, но вы не можете продавать автомобили без инфраструктуры», — сказал Кумаратне.

Стивенс сказал, что если рынок может достичь «нескольких сотен тысяч автомобилей» в Калифорнии, он может быть конкурентоспособным по стоимости с бензином. Это представляет собой большой скачок по сравнению с 6000 проданных автомобилей, но большинство новых автомобильных рынков начинаются с ограниченных серий производства. Toyota заявила, что планирует увеличить производство с 3000 единиц Mirai в год до 30 000 автомобилей к 2021 году. «Это десятикратное увеличение.»

«Несколько сотен тысяч автомобилей в Калифорнии не за горами. И это только Toyota», — сказал Стивенс. «Речь идет не о субсидировании всего роста инфраструктуры, а просто о том, чтобы помочь нам преодолеть горб, и это уже на горизонте. Если мы доберемся до нескольких сотен тысяч автомобилей, мы действительно сможем отказаться от государственных субсидий и стать самодостаточными».

Исправление: водород — самый распространенный ресурс во вселенной. эта статья исказила этот факт.

У Илона Маска твердые взгляды на водород. Не все согласны

Генеральный директор Tesla Илон Маск неоднократно высказывал твердые мнения о водороде и водородных топливных элементах.

Несколько лет назад, когда эта тема поднялась во время обсуждения с журналистами на Всемирном конгрессе автомобильных новостей, миллиардер и магнат электромобилей назвал водородные топливные элементы «чрезвычайно глупыми».

«Просто очень сложно… производить водород, хранить его и использовать в автомобиле», — сказал Маск.«В лучшем случае водородный топливный элемент не выигрывает у нынешних аккумуляторов, поэтому, очевидно… это не имеет смысла», — добавил он позже.

«Это станет очевидным в ближайшие несколько лет. У нас… нет причин для этих дебатов, я уже сказал… моя часть об этом, со временем это станет супер очевидным, я не знаю, что еще сказать».

За время, прошедшее после этих замечаний, взгляды Маска, похоже, не сильно изменились, если вообще изменились. В июне 2020 года он написал в Твиттере: «Топливные элементы = дурацкие продажи», добавив в июле того же года: «Водородные дурацкие продажи не имеют смысла.« Маск не был сразу доступен, чтобы прокомментировать, изменились ли его взгляды на водород, когда он связался через Tesla с CNBC в понедельник. Агентство описывает транспортные средства на водородных топливных элементах, которые также известны как электромобили на топливных элементах, как «похожие на электромобили… в том смысле, что они используют электродвигатель вместо двигателя внутреннего сгорания для привода колес.»

Ключевое отличие заключается в том, что у электромобилей есть аккумуляторы, которые необходимо заряжать, подключая транспортное средство к точке зарядки. С другой стороны, автомобили на топливных элементах используют газообразный водород и, согласно EPA, «генерируют электроэнергию на борту». .»

Узнайте больше об электромобилях от CNBC Pro

Проще говоря, с топливными элементами газообразный водород из бака смешивается с кислородом, производя электричество.

Электромобиль на топливных элементах выбрасывает «только водяной пар и теплый воздух», У.Об этом сообщает Центр данных по альтернативным видам топлива при Министерстве энергетики США.

Разнообразие мнений

Маск не одинок в своем неуверенном отношении к использованию водорода в автомобилях.

В феврале этого года по этому поводу высказался Герберт Дисс, генеральный директор немецкой автомобильной компании Volkswagen Group.

«Политикам пора принять науку», — написал он в Твиттере. «Зеленый водород необходим для сталелитейной, химической, аэрокосмической промышленности… и не должен попадать в автомобили. Слишком дорогой, неэффективный, медленный и сложный в развертывании и транспортировке.В конце концов: никаких #водородных автомобилей в поле зрения.»

Хотя на эти продукты, очевидно, не приходится большая часть продаж автомобилей в данный момент — Riversimple на самом деле не будет продавать свои автомобили, вместо этого предлагая их по подписке — тот факт, что такое количество компаний вообще работает над предложениями топливных элементов, показывает, что некоторые видят потенциал в этой технологии.

«Автомобили на топливных элементах, безусловно, сыграют свою роль в обезуглероживании транспорта», — сказал CNBC представитель Toyota. и когда заправочная инфраструктура будет расширяться, они предложат удобный альтернативный вид электрифицированного транспорта вместо полностью электрического BEV [электромобилей с батарейным питанием]», — сказали они.

Toyota рассматривала водород «как альтернативу ископаемому топливу во всех сферах, включая отопление, освещение, перевозки, общественный транспорт и тяжелую промышленность», — сказал представитель.

«Диапазон водородных применений будет расширяться, обеспечивая более дешевое и эффективное энергоснабжение, и мы будем все чаще видеть водородные двигатели для автомобилей, автобусов, поездов и грузовиков», — добавили они.

В заявлении, направленном CNBC, Ассоциация топливных элементов и водородной энергетики выразила аналогичную точку зрения.

Электромобили на топливных элементах и ​​водородная энергия, по словам FCHEA, предлагали клиентам «вариант с нулевым уровнем выбросов с ожидаемой производительностью и отсутствием изменений в повседневной жизни — большой радиус действия, быстрая дозаправка и возможность масштабирования до более крупных платформ без добавления ограничительных вес и размер».

Далее FCHEA сообщило, что существуют «огромные возможности для электромобилей на топливных элементах и ​​погрузочно-разгрузочных транспортных средств на топливных элементах».

«Кроме того, учитывая ограничения по весу аккумуляторов и возможности подзарядки для дальних перевозок, также существуют значительные возможности для фургонов средней и большой грузоподъемности, грузовиков, автобусов, поездов и самолетов», — говорится в сообщении.

Действительно, в то время как правительства всего мира пытаются разработать транспортные системы с низким и нулевым уровнем выбросов, идея использования водородных топливных элементов в более крупных транспортных средствах начинает изучаться широким кругом компаний.

Узнайте больше о чистой энергии от CNBC Pro

В недавнем интервью CNBC генерального директора Daimler Truck спросили о дебатах между электрическими батареями и водородными топливными элементами. Баланс, утверждал Мартин Даум, был ключевым моментом.

«Мы выбираем оба варианта, потому что оба… имеют смысл», — сказал он, продолжая объяснять, насколько разные технологии подходят для разных сценариев.

«В общем, вы можете сказать: если вы идете в городскую доставку, где вам нужно меньше энергии, вы можете заряжать в течение ночи в депо, то это, безусловно, аккумуляторная батарея», — сказал Даум.

«Но в тот момент, когда вы находитесь в пути, в тот момент, когда вы едете из Стокгольма в Барселону… на мой взгляд, вам нужно что-то, что вы можете лучше транспортировать и где вы можете лучше заправляться, и это, в конечном счете, h3.»

«Решение еще не вынесено, но я думаю, что для компании нашего размера слишком рискованно использовать только одну технологию.

Универсальность

Комментарии Даума о топливных элементах затрагивают идею о том, что они могут, в конечном счете, найти свое место в более тяжелых видах транспорта, преодолевающих большие расстояния, перевозящих грузы и, в некоторых случаях, перевозящих людей из одного пункта назначения в другой.

Он не одинок в своем мнении.Европейский транспортный гигант Alstom, например, разработал Coradia iLint, который он описывает как «первый в мире пассажирский поезд, работающий на водородном топливном элементе». В октябре было объявлено о коммерческих водородно-электрических рейсах между Лондоном и Роттердамом, и те, кто стоит за проектом, надеются, что он поднимется в небо в 2024 году.

В сфере строительства компания JCB, крупный игрок в этом секторе, заявила в прошлом году, что разработала экскаватор, «работающий на водородном топливном элементе».

При весе 20 метрических тонн компания заявила, что автомобиль тестировался более 12 месяцев, добавив, что «единственным выбросом из выхлопных газов является вода».

Задачи

Несмотря на то, что использование технологии водородных топливных элементов в различных приложениях вызывает воодушевление, путь к любому массовому внедрению может быть не всегда гладким.

Ранее в этом году Honda прекратила производство своих подключаемых гибридных моделей Clarity и моделей на топливных элементах, хотя компания подчеркнула, что электромобили на топливных элементах будут «играть ключевую роль в нашей стратегии нулевого уровня выбросов».

В другом месте правительство США назвало ряд проблем. Они варьируются от долговечности и надежности топливных элементов до стоимости автомобиля.

«Существующая инфраструктура для производства и доставки водорода потребителям еще не может обеспечить широкое внедрение FCV», — добавляет он.

В феврале 2020 года базирующаяся в Брюсселе группа кампании «Транспорт и окружающая среда» заявила о том, с какой конкуренцией столкнется водород в транспортном секторе.

T&E подчеркнула, что зеленый водород, который производится с использованием возобновляемых источников энергии, должен не только «конкурировать с серым и голубым водородом», который производится с использованием ископаемого топлива. «Он будет конкурировать с бензином, дизельным топливом, судовым мазутом, керосином и, конечно же, электричеством», — сказали в T&E.

«Везде, где аккумуляторы являются практичным решением — легковые автомобили, фургоны, городские, региональные и, возможно, дальнемагистральные грузовики, паромы — водород столкнется с тяжелой борьбой из-за его более низкой эффективности и, как следствие, гораздо более высоких затрат на топливо.

Преодоление разрыва между аккумуляторными электромобилями и автомобилями на топливных элементах будет огромной задачей, как отмечается в Global EV Outlook 2021 Международного энергетического агентства. чем электромобили в качестве водородных заправочных станций … не являются широко доступными и, в отличие от электромобилей, не могут быть заряжены дома».

Когда дело доходит до автомобилей, электромобили на аккумуляторных батареях занимают сильную позицию благодаря таким фирмам, как Tesla, лидирующим, но путь к успеху никогда не бывает прямым. Наблюдайте за этим пространством.

0 comments on “Водородная ячейка: Топливные (водородные) элементы/ячейки

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *