Водород по своим характеристикам выглядит практически как идеальное топливо. При его сжигании выделяется огромное количество энергии + вода. Однако, просто сжигать водород — далеко не самый лучший способ получения энергии из него. Двигатель для сжигания водорода потребует более сложной системы охлаждения, так как температуры горения очень высоки. Также, если использовать не чистый кислород, а воздух, то в реакцию вступают и другие газы составляющие воздух. В результате чего образуются вредные вещества.
Но есть иной способ — это топливные ячейки. Это устройство которое выделяет электроэнергию и тепло. При этом нет процесса горения, не требуются роторы, поршни. Нет лишнего шума, нет вибраций. Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками из-за электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и находящегося между ними электролита. То есть ячейка похожа по устройству на электрическую батарею, но вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне.
Как работает топливный элемент?
Водород, поступает в пористый анод, где теряет электроны, которые уходят в электросеть, где создают постоянный ток, который используется для питания оборудования (например, электродвигателя в автомобиле). После чего, катионы (положительно заряженные ионы) проходят сквозь мембрану. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода и тепло.
С одной топливной ячейки в среднем получается 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.
Виды топливных ячеек
Существует два основных вида топливных элементов — низкотемпературные и высокотемпературные.
- Низкотемпературные ячейки используют чистый водород, что подразумевает предварительную очистку водорода от примесей и усложняет технологическую цепочку. Работают при температурах 25—100°С
- Высокотемпературные ячейки работают при более высоких температурах — 500-1000°С, и им не требуется настолько глубокой очистки водорода.
Преимущества топливный ячеек
- Очень высокая теплоемкость;
- Широкий спектр температур, при котором доступно эффективное использования ячеек;
- Нет вибраций и шума;
- Надежны при холодном пуске;
- В отличии от аккумуляторов — нет саморазряда;
- Длительность эксплуатации;
- Экологичность;
- Высокотемпературные ячейки позволяют использовать водород с примесями.
Проблемы водорода
Если столько плюсов, то где минусы? Они есть и существенно тормозят развитие водородной энергетики и использование топливных ячеек в частности.
Добыча водорода. На земле нет месторождений с чистым водородом. Он всегда химически «связан». Существует несколько источников его получения.
Наиболее простой — получать водород из углеводородов, например из метана. Однако, это крайне не экологичный способ. 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%. Но это и самый дешевый способ.
Наиболее экологичный способ — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. И тут возникает парадокс — для получения водорода, чтобы из него получать энергию, нужно затратить много энергии. Над решением этой проблемы работает много инженеров. Например, еще в 2015м году была создана мобильная электростанция Toshiba H2One, где использовались солнечные батареи и водород. Инженеры компании Toshiba добились генерации 1 м3 водорода в час при максимальном потреблении 2,5 м3 воды в час.
Интересно то, что технологии водородных ячеек скоро будет 200 лет. Они были открыты еще в 1838 году Уильямом Гроувом. Он 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. В 20м веке использовались для освоения космоса, а в 21м веке, возможно станет новым массовым источником энергии.
