Что такое водородный топливный элемент

Что такое водородный топливный элемент

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.

двигатель на топливных элементах

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.

Toshiba H2One

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.

Что такое водородный топливный элемент
Share on facebook
Share on vk
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
Share on print

Свежие материалы

Читайте еще