Топливный элемент на водороде: Toyota создает новые водородные топливные элементы

Содержание

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

2020-12-10T03:00

наука

университетская наука

навигатор абитуриента

российская академия наук

томский политехнический университет

томск

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

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

https://cdn22.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://cdn25.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/

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

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.

Американцы объявили о создании мощного водородного топливного элемента для авиации

Прототип электрического пассажирского самолета

ZeroAvia

Калифорнийский стартап HyPoint объявил о разработке водородного топливного элемента, мощность которого втрое выше выпускаемых сегодня таких элементов. Как пишет Flightglobal, начать серийный выпуск новых элементов для коммерческой авиации планируется не позднее 2023 года. В первую очередь новые топливные элементы будут предлагаться для среднемагистральных пассажирских электрических самолетов.

Современные водородные топливные элементы требуют хороших систем охлаждения, поскольку по мере их нагрева снижается выдаваемая ими мощность. Кроме того, такие элементы не способны обеспечить высокую пиковую мощность, необходимую на взлетных режимах самолетов. По этой причине избыточную нагрузку в таких летательных аппаратах должны принимать на себя аккумуляторные батареи.

По заявлению HyPoint, их водородный топливный элемент имеет пиковую мощность 2 киловатта на килограмм. Этот показатель втрое выше среднего показателя выпускаемых сегодня серийно топливных элементов. При этом энергетическая плотность элемента составляет 1,5 киловатта в час на килограмм. Элемент способен эффективно работать при более высоких температурах, чем традиционные топливные элементы.

Технические подробности о новом элементе не раскрываются. По заявлению HyPoint, в нем используется система подачи сжатого воздуха, которая решает одновременно две задачи: охлаждения топливного элемента и нагнетания водорода в рабочую зону. Летные испытания прототипа топливного элемента планируется начать в 2022 году, а в 2023 году, по заявлению разработчиков, первый серийный такой элемент будет установлен на 19-местный электрический самолет.

К 2030 году разработчики планируют доработать топливный элемент таким образом, чтобы его можно было использовать на электрическом самолете, рассчитанном на 100 пассажиров.

Василий Сычёв

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 (CO₃^2-). 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: CO₃^2- + H₂ => H₂O + CO₂ + 2e^–
Реакция на катоде: CO₂ + ¹/₂O₂ + 2e^– => CO₃^2-
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 (C_sHSO₄) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO₄^2-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.

Что такое топливный элемент?

Принцип действия топливных элементов был открыт еще в 1839 г. английским ученым Уильямом Робертом Грове, который обнаружил, что процесс электролиза обратим, то есть водород и кислород можно объединить в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества.

Что такое топливный элемент?

Топливные элементы (ТЭ) – это электрохимические устройства, использующие водород, моноксид углерода либо газообразные органические топлива и кислород воздуха для производства электрической и тепловой энергии.Процесс производства электроэнергии в топливных элементах значительно более эффективен, чем в тепловых машинах. Кроме того, в ТЭ нет движущихся частей и минимизирована роль сжигания топлива, что делает процесс бесшумным и экологически чистым.

Промышленная отрасль ТЭ становится все более стабильной и готовой к массовому внедрению. Это поддерживается растущим интересом крупных компаний к использованию ТЭ и инвестициям в связанные с ними технологии. В последние 3-4 года ТЭ все активнее внедряются на рынки. Продолжается рост объема заказов на энергоустановки на базе топливных элементов (ТЭУ) во многих секторах экономики. Следствием этого является удвоение поставок потребителям ТЭУ в 2012 году по сравнению с 2011 годом и 1,5 кратный рост поставок в 2013 году по сравнению с 2012 годом.

Где используются топливные элементы?

Сложились три основных направления использования топливных элементов:

1) стационарная энергетика: энергетические установки для централизованного и распределенного электро- и теплоснабжения, источники бесперебойного питания;
2) транспортная энергетика: энергетические установки транспортных средств, вспомогательные силовые установки;
3) портативная энергетика: источники тока в мобильных устройствах, зарядные устройства, питание разнообразных вспомогательных устройств т. п.

В ближней перспективе для стационарной энергетики наиболее перспективной областью применения энергоустановок на основе топливных элементов видимо следует считать распределенную генерацию и автономное энергоснабжение – ТЭУ и КТЭУ электрической мощностью от единиц киловатт для индивидуальных хозяйств и мелкого бизнеса до единиц мегаватт для электро- и теплоснабжения промышленных предприятий, достаточно крупных объектов сферы услуг (торговых центров и др.), жилищной застройки (небольших населенных пунктов и городских районов). В более отдаленной перспективе ТЭУ, в том числе гибридные, электрической мощностью до сотен мегаватт могут быть использованы для распределенного и централизованного энергоснабжения.

Какое топливо используется для электрохимических ячеек?

В силу уникальных физико-химических свойств водорода этот газ является наиболее привлекательным видом топлива для ТЭ. На данный момент основные методы получения водорода включают паровой риформинг, частичное окисление и автотермальный риформинг углеводородов, а также конверсию биотоплива. Для ПЭМТЭ предпочтительной технологией является высокоселективное окисление CO. Для использования ТЭ, работающих на водороде, на транспорте и в мобильных устройствах выбирается наиболее оптимальный способ хранения либо локального производства водорода.

Известно несколько способов хранения водорода: получение жидкого водорода, сжатие газообразного водорода, металлогидриды, борогидриды, углеродные нанотрубки, цеолиты и металлоорганические каркасы. Наиболее распространённым остаётся хранение водорода в сжатом виде в легких баллонах из полимерных и углеродных волокон под давлением до 700 атм. Прямое использование жидких топлив в ТЭ выгодно из-за большей плотности запасённой энергии по сравнению с газообразным топливом. Жидкие топлива, такие как метиловый и этиловый спирты, относительно дёшевы, просты в обращении, транспортировке и хранении. Однако стоит отметить, что плотности мощности ТЭ на жидком топливе ничтожно малы по сравнению с плотностями мощности топливных элементов на газе при схожих режимах работы, в основном, из-за медленной кинетики процесса окисления относительно больших молекул, вовлекающего до 18-ти электронов и не исключающего многочисленных побочных реакций.

Также, наряду с более высокой плотностью запасённой энергии, нужно принимать во внимание возможные экологические проблемы использования таких топлив. Метанол, производимый, в основном, риформингом природного газа, является очень токсичным и легко воспламеняемым. Выгодной альтернативой для мобильных устройств в силу гораздо меньшей потенциальной опасности является этиловый спирт, который может быть синтезирован из ацетилена либо получен спиртовым брожением. Электрохимическое окисление большинства жидких топлив является, к сожалению, преимущественно неполным. Например, основные продукты электроокисления метанола – формальдегид и муравьиная кислота. Формальдегид – очень едкий, токсичный канцероген. В случае этанола основное препятствие кроется в прочной C–C связи; продуктами являются ацетальдегид и уксусная кислота. Диметиловый эфир также может быть использован в качестве топлива, поскольку является самым простым эфиром без C–C связей и менее токсичен по сравнению с метанолом. Однако, основными продуктами прямого электроокисления диметилового эфира в ТЭ оказываются всё тот же метанол и метилформиат, причём доля метанола не зависит от тока, но растёт с температурой. Дальнейший перебор возможных топлив даёт сходные результаты.

Таким образом, эксплуатация ТЭ на жидком топливе неизбежно связана с очисткой либо переработкой продуктов реакции.

Топливные элементы

Установка энергетической системы на водород-воздушных топливных элементах серии DRON для беспилотных летательных аппаратов вместо традиционных аккумуляторов увеличивает продолжительность полета в 3-4 раза по сравнению с традиционными литиевыми аккумуляторами, а также позволяет осуществлять полеты при отрицательных температурах до -40С без потери энергоемкости системы, что позволяет эффективно выполнять задачи от видеонаблюдения до доставки полезных грузов.

В системах применены самые современные конструкторские решения и материалы, обеспечивающие максимально возможную удельную энергоемкость при заданной мощности.

Основные конкурентные преимущества по сравнению с классическими решениями: бесшумность, отсутствие вибраций, эффективная работа при температурах до -40℃, длительный срок службы, экологичность, высокая энергоемкость.

В топливной системе применяются высокопрочные легкие баллоны и редукторы для обеспечения максимального запаса сжатого водорода на борту. Допускается использование различных типоразмеров баллонов (от 0.5 до 25 литров) с редукторами, обеспечивающими необходимый расход водорода.

Ассортимент энергетических систем серии DRON, доступных к заказу

В случае если вы не нашли продукт, удовлетворяющий ваши требования, заполните опросный лист и направьте его в BMPower по электронной почте [email protected]. Мы направим вам расчет системы в кратчайшие сроки.

Заправка водородом

Компания BMPower подписала соглашение о стратегическом сотрудничестве в области поставок водорода для беспилотных летательных аппаратов и иной техники на водород-воздушных топливных элементах c мировым производителем технических газов компанией Linde Gas. Благодаря стратегическому партнерству с Linde Gas, стало возможным поставлять водород клиентам во всех странах мира, что делает эксплуатацию продуктов BMPower наиболее удобной и безопасной.

Видео-отчеты

Примечание. Типичные значения, приведенные на сайте, получены экспериментальными и расчетными методами, и могут быть скорректированы в зависимости от требований заказчика. Пожалуйста, свяжитесь с BMPower для получения дополнительной информации.

Копирование, использование и распространение изображений без согласия BMPower запрещено.

Получить энергию на h3 – Энергетика и промышленность России – № 06 (314) март 2017 года – WWW.

EPRUSSIA.RU

Газета “Энергетика и промышленность России” | № 06 (314) март 2017 года

Разработки ведутся не один год, и уже есть автомобили и энергетические станции, работающие на водороде.

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Его значение в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. Получить водород можно из самых различных источников, а единственным побочным продуктом при его использовании в топливных элементах является вода. Именно поэтому водородная энергетика – одно из наиболее перспективных новых энергетических направлений.

Топливо будущего

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 г. английским ученым Уильямом Гроувом. Он обнаружил, что процесс электролиза воды (разложение ее на водород и кислород с помощью электричества) обратим, то есть можно получить воду путем соединения двух газов, причем с выделением тепла и электричества. Свой прибор ученый назвал «газовой батареей», однако в последующее столетие идея не нашла практического применения. С 1930‑х гг. работать над топливным элементом начал профессор Фрэнсис Томас Бэкон, и в 1959 г. он смог представить публике 5‑киловаттный топливный элемент, который был способен снабжать энергией сварочный аппарат. В 1960‑х гг. первые исследования начались и в СССР (в основном такие топливные элементы применялись в космической отрасли).

Эксперты утверждают, что сегодня технология водородных топливных элементов находится на грани появления их на массовом рынке – в автомобилях, домах и в портативных устройствах.

Сегодня в мире существуют успешные примеры использования водородных топливных элементов в больших бизнес-центрах, госпиталях и жилых зданиях, а мировые компании вкладывают средства в развитие водородной энергетики. В 1991 г. в Калифорнии была введена в эксплуатацию электростанция, использующая технический водород в качестве топлива. В Японии такие станции работают еще с 1983 г., а в 2005 г. в стране было объявлено о начале многолетнего демонстрационного проекта. Была запланирована установка около 6000 бытовых энергетических установок на водородных топливных элементах, и уже в 2009 г. Япония вышла в лидеры по продажам топливных элементов для бытовых нужд.

Японская же компания Toshiba два года назад запустила автономную систему энергообеспечения на основе водорода «H₂One». Эта система получает водород из воды, накапливает его и использует для питания транспортных средств, нагревания воды и генерации электричества. Сообщается, что система способна обеспечить до трехсот человек электричеством и горячей водой на протяжении недели.

Водородный топливный элемент может решить и проблему мобильных устройств, обеспечив длительный период работы устройства без подзарядки. Для сравнения, стандартная батарейка в шесть раз уступает батарейке водородной в энергоемкости.

Несколько лет назад две японские компании – Rohm Semiconductor и Aquafairy Corp., разработали компактные, но достаточно мощные водородные топливные элементы для питания портативных мобильных устройств. В 2015 г. Apple также заявляла о начале разработки встроенных топливных элементов, на которых смартфоны смогут работать в течение недели. Совсем недавно на рынке презентовали российский прибор для зарядки портативных устройств HandyPower (грант на выпуск первой опытной партии создатели получили от фонда «Сколково»).

Водород может также использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания автомобиля. При сжигании водорода в двигателе он соединяется с кислородом атмосферного воздуха, и вновь образуется вода. Страны Евросоюза, а также США и Япония уже более тридцати лет постепенно переходят на водородный транспорт. В Лондоне, к примеру, в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.

Среди компаний, которые производят такие автомобили, – Toyota, Honda и Hyundai. Разработкой автомобилей на водородном топливе занимаются также Audi, BMW, Ford, Nissan. Даже российский «АвтоВАЗ» на базе автомобиля ВАЗ-2131 создал несколько опытных экземпляров водородного автомобиля, пока в 2004 г. финансирование проекта не было остановлено.

Водородное развитие

Во многих странах были приняты программы развития водородной энергетики. В 2014 г. правительство Японии приняло энергетический план, согласно которому планировалось наращивать использование водорода, прокладывая путь к «водородному обществу». В США еще в 1996 г. была предусмотрена всеобъемлющая национальная энергетическая стратегия, частью которой стала водородная программа с задачей перехода экономики страны на водород как основной энергоноситель. Норвегия, Италия, Франция, Швейцария, Великобритания, Германия также реализуют национальные проекты в области водородной энергетики. В России в 2003 г. компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в сфере водородной энергетики. «Норильский никель» вложил в исследования 40 млн долларов, однако с 2008 г. перестал финансировать проект.

Основные проблемы водородной энергетики заключаются в том, что получение вещества сопряжено с необходимостью траты иных энергоносителей, с высокими расходами на создание водородной энергоустановки (до нескольких тысяч долларов за 1 кВт), а также с высокой стоимостью этого вида топлива (около восьми евро за литр).

Специалисты стремятся устранить эти проблемы. Так, внимание уделяется вопросам получения водорода из воды (фактически неисчерпаемого ресурса). Снижение цены топлива возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. Пока в США действует 750 километров, а в Европе – 1500 километров водородных трубопроводных систем.

Свойства металла

Одна из самых спорных теорий – получение металлического водорода. Теории его существования более восьмидесяти лет, но до сих пор нельзя с уверенностью сказать, что он был получен. Между тем, металлический водород, являясь сверхпроводником, мог бы стать прорывом в энергетике.

Общепризнано, что водород может принимать три агрегатных состояния – газообразное, жидкое и твердое. При нормальном давлении и обычной комнатной температуре водород имеет форму газа. Если сжать обычный водород давлением в тысячи атмосфер, то можно получить его сначала в жидком, а потом и в твердом виде – прозрачного, не проводящего электричество материала. Однако уже давно существует теория о четвертом, дополнительном, агрегатном состоянии водорода – при значительном повышении давления водород может стать металлом.

Водород обычно встречается в молекулярном виде, то есть в виде молекул, состоящих из двух протонов и двух электронов. Однако если расщепить молекулу, то получится атомарный водород. Атом водорода – самый простой из атомов. Его ядро – один протон, вокруг него движется один электрон. При атмосферном давлении атомарный водород неустойчив и быстро переходит в молекулярную форму. При увеличении внешнего давления ядра водорода (протоны) сближаются друг с другом, а сила связи электрона с ядром уменьшается. В итоге электроны слабо связываются с протонами, что характерно для металлов.

Впервые теорию о металлическом водороде ученые озвучили в конце 30‑х гг. прошлого века. По их мнению, переход водорода в металлическое состояние происходит под действием высокого давления около 250 тыс. атм. В дальнейшем оценка давления, требуемого для перехода, была значительно повышена (не менее 1 млн атм.). Сначала металлический водород интересовал только ученых, пока в 1968 г. американский физик Нил Ашкрофт не доказал, что металлический водород может оставаться стабильным при атмосферном давлении. После этого получением металлического водорода занялись сразу несколько экспериментальных групп в разных странах.

Следующим шагом стало последовавшее в 1977 г. заявление ученых о достижении 1,7 млн атм. в миниатюрном устройстве (алмазных наковальнях), давление в котором создается с помощью двух алмазов. Металлический водород был синтезирован в лабораторных условиях в 1996 г. в Ливерморской национальной лаборатории Минэнерго США в Калифорнии, однако время его существования было недолгим – около одной микросекунды.

Наконец, в начале 2017 г. ученые из Гарварда во главе с Исааком Силверой и Рангой Диасом добились получения стабильного образца. Чтобы довести вещество до такого состояния, его зажали между двух кончиков алмаза. Под алмазным прессом им удалось достичь давления в 5 млн атм. Однако камера, где хранился образец, под давлением развалилась, и образец был потерян. Произошло это за несколько минут до упаковки алмазной наковальни для отправки в измерительную лабораторию. Научное сообщество скептически отнеслось к данной новости, ведь нужные тесты (в частности, проверка электропроводности материала) не были проведены. В любом случае ученые собираются повторить эксперимент, используя в прессе алмазы другого типа.

В теории металлический водород может быть использован для создания проводов с нулевым сопротивлением, а это приведет к революции в области передачи и хранения электроэнергии. С другой стороны, количество вещества, получаемое в алмазных наковальнях, настолько мало, что любые проекты, связанные с практическим использованием металлического водорода, пока остаются фантастикой.

Решения для анализа и разработки водородных топливных элементов

Глобальная энергетическая и транспортная структура быстро меняется, а для возобновляемых источников энергии становятся доступны интеллектуальные технологии хранения. Топливные элементы станут важным компонентом интеллектуальной энергетической инфраструктуры, обеспечивающей локальное производство энергии для стационарных и мобильных комплексов. В транспортном секторе, в частности, электромобили, работающие на водородных топливных элементах, станут более распространенными и в скором времени смогут конкурировать с аккумуляторными электромобилями. В отличие от последних, которым необходимо не менее 30 минут для полной зарядки, транспортные средства на водородных топливных элементах не требуют времени на зарядку, что обеспечивает им преимущество.

Кроме того, в электродных материалах для топливных элементов не используются токсичные вещества — чего нельзя сказать о современных литий-ионных аккумуляторных батареях.

Наши аналитические решения позволяют устранить многие проблемы при разработке и оптимизации топливных элементов, такие как стабильность полимеров в топливных элементах на основе протонообменных мембран (PEMFC), структурные изменения в топливных элементах на основе твердых оксидов (SOFC) в реальных условиях и эффективность катализаторов. В частности, наши приборы могут анализировать, как платина, поддерживаемая углеродом (платиновая чернь) и используемая в качестве катализатора электрохимических реакций в анодах и катодах PEMFC, влияет на эффективность топливных элементов. Критически важными параметрами, регулирующими эффективность топливных элементов для заданной загрузки платины, являются размер частиц платины, размер углеродных скоплений и состав каталитических чернил, что обеспечивает регулировку микроструктуры и макроструктуры слоя катализатора. Анализ этих факторов помогает производителям разрабатывать наиболее эффективные топливные элементы.

топливных элементов | Министерство энергетики

Топливный элемент использует химическую энергию водорода или другого топлива для экологически чистого и эффективного производства электроэнергии. Если водород является топливом, электричество, вода и тепло – единственные продукты. Топливные элементы уникальны с точки зрения разнообразия их потенциальных применений; они могут обеспечивать электроэнергией системы размером с коммунальную электростанцию и такие маленькие, как портативный компьютер.

Why Study Fuel Cells

Топливные элементы могут использоваться в широком диапазоне приложений, включая транспортировку, погрузочно-разгрузочные работы, стационарные, портативные и аварийные резервные источники питания.Топливные элементы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями, основанными на сжигании топлива, которые в настоящее время используются на многих электростанциях и легковых автомобилях. Топливные элементы могут работать с более высоким КПД, чем двигатели внутреннего сгорания, и могут преобразовывать химическую энергию топлива в электрическую с КПД до 60%. Топливные элементы имеют более низкие выбросы, чем двигатели внутреннего сгорания. Водородные топливные элементы выделяют только воду, поэтому отсутствуют выбросы углекислого газа и загрязнители воздуха, которые создают смог и вызывают проблемы со здоровьем во время работы.Кроме того, топливные элементы работают тихо, поскольку в них меньше движущихся частей.

Как работают топливные элементы

Топливные элементы работают как батареи, но они не разряжаются и не нуждаются в подзарядке. Пока есть топливо, они производят электроэнергию и тепло. Топливный элемент состоит из двух электродов – отрицательного электрода (или анода) и положительного электрода (или катода), расположенных вокруг электролита. На анод подается топливо, например водород, а на катод – воздух. В водородном топливном элементе катализатор на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые идут к катоду разными путями.Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток. Протоны мигрируют через электролит к катоду, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду и тепло. Подробнее о:

Просмотрите анимацию топливных элементов в офисе Fuel Cell Technologies Office, чтобы узнать, как работает топливный элемент.

Цели исследований и разработок

Министерство энергетики США (DOE) тесно сотрудничает со своими национальными лабораториями, университетами и отраслевыми партнерами для преодоления критических технических препятствий на пути разработки топливных элементов.Стоимость, производительность и долговечность по-прежнему являются ключевыми проблемами в отрасли топливных элементов. Просмотрите ссылки по теме, которые предоставляют подробную информацию о деятельности по топливным элементам, финансируемой Министерством энергетики США.

Стоимость – Платина представляет собой один из самых дорогостоящих компонентов топливного элемента, поэтому большая часть исследований и разработок сосредоточена на подходах, которые увеличат активность и использование существующих катализаторов из металлов платиновой группы (МПГ) и сплавов МПГ. как катализатор, не связанный с МПГ, подходит для долгосрочного применения.
Производительность – Для улучшения характеристик топливных элементов НИОКР сосредоточены на разработке ионообменных мембранных электролитов с повышенной эффективностью и долговечностью при сниженных затратах; улучшение мембранных электродных сборок (МЭБ) за счет интеграции современных компонентов МЭБ; разработка транспортных моделей и экспериментов in-situ и ex-situ для получения данных для проверки моделей; выявление механизмов деградации и разработка подходов к смягчению их последствий; и поддержание основных видов деятельности по компонентам, подсистемам и системам, специально предназначенным для стационарных и переносных энергетических приложений.
Долговечность – Ключевым фактором производительности является долговечность с точки зрения срока службы системы топливных элементов, который соответствует ожиданиям приложений. Цели Министерства энергетики для стационарных и транспортных топливных элементов составляют 40 000 часов и 5 000 часов соответственно при реальных условиях эксплуатации. В наиболее требовательных приложениях реалистичные рабочие условия включают примеси в топливе и воздухе, пуск и останов, замораживание и оттаивание, а также циклы влажности и нагрузки, которые приводят к нагрузкам на химическую и механическую стабильность материалов и компонентов системы топливных элементов.НИОКР сосредоточены на понимании механизмов деградации топливных элементов и разработке материалов и стратегий, которые смягчат их.

Технические цели

Загрузите раздел «Топливные элементы» Многолетнего плана исследований, разработок и демонстрации Управления технологий топливных элементов для получения полной информации о технических целях или просмотрите отдельные таблицы целевых показателей для:

Части топливного элемента

Топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной (PEM) в настоящее время являются основным направлением исследований в области применения топливных элементов в транспортных средствах.Топливные элементы PEM состоят из нескольких слоев разных материалов. Основные части топливного элемента PEM описаны ниже.

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

Аппаратные компоненты, используемые для включения MEA в топливный элемент, включают прокладки, которые обеспечивают уплотнение вокруг MEA для предотвращения утечки газов, и биполярные пластины, которые используются для сборки отдельных топливных элементов PEM в батарею топливных элементов и обеспечения каналов для газообразного топлива и воздуха.

Узел мембранных электродов

Мембрана, слои катализатора (анод и катод) и диффузионная среда вместе образуют узел мембранных электродов (MEA) топливного элемента PEM.

Мембрана с полимерным электролитом

Мембрана с полимерным электролитом или PEM (также называемая протонообменной мембраной) – специально обработанный материал, напоминающий обычную кухонную пластиковую пленку – проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. PEM – это ключ к технологии топливных элементов; он должен пропускать только необходимые ионы между анодом и катодом.Другие вещества, проходящие через электролит, могут нарушить химическую реакцию. Для транспортных средств мембрана очень тонкая – в некоторых случаях менее 20 микрон.

Слои катализатора

Слой катализатора добавляется с обеих сторон мембраны – анодный слой с одной стороны и катодный слой с другой. Обычные слои катализатора 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.На анодной стороне платиновый катализатор позволяет молекулам водорода расщепляться на протоны и электроны. На катодной стороне 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.

Слои диффузии газа

GDL расположены вне слоев катализатора и облегчают перенос реагентов в слой катализатора, а также удаление образующейся воды.Каждый GDL обычно состоит из листа копировальной бумаги, в которой углеродные волокна частично покрыты политетрафторэтиленом (ПТФЭ). Газы быстро диффундируют через поры в GDL. 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 удерживанием воды (необходимо для поддержания проводимости мембраны) и высвобождением воды (необходимо, чтобы поры оставались открытыми, чтобы водород и кислород могли диффундировать в электроды).

Аппаратное обеспечение

MEA – это часть топливного элемента, в которой вырабатывается энергия, но для обеспечения эффективной работы MEA требуются аппаратные компоненты.

Биполярные пластины

Каждый отдельный MEA вырабатывает менее 1 В в типичных рабочих условиях, но для большинства приложений требуются более высокие напряжения. Таким образом, несколько MEA обычно подключаются последовательно путем наложения их друг на друга для обеспечения приемлемого выходного напряжения. Каждая ячейка в стопке зажата между двумя биполярными пластинами, чтобы отделить ее от соседних ячеек.Эти пластины, которые могут быть изготовлены из металла, углерода или композитов, обеспечивают электрическую проводимость между ячейками, а также обеспечивают физическую прочность пакета. Поверхности пластин обычно содержат «поле потока», которое представляет собой набор каналов, обработанных на станке или штампованных в пластине, чтобы газы могли проходить через МЭБ. Дополнительные каналы внутри каждой пластины могут использоваться для циркуляции жидкого хладагента.

Прокладки

Каждый MEA в батарее топливных элементов зажат между двумя биполярными пластинами, но по краям MEA необходимо добавить прокладки для создания газонепроницаемого уплотнения.Эти прокладки обычно изготавливаются из эластичного полимера.

Системы топливных элементов | Министерство энергетики

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

Стек топливных элементов

Стек топливных элементов является сердцем системы питания топливных элементов. Он генерирует электричество в форме постоянного тока (DC) в результате электрохимических реакций, происходящих в топливном элементе.Один топливный элемент вырабатывает менее 1 В, что недостаточно для большинства приложений. Поэтому отдельные топливные элементы обычно объединяются последовательно в батарею топливных элементов. Типичная батарея 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, которую может использовать топливный элемент.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 работает на обычном топливе, обогащенном водородом, таком как метанол, бензин, дизельное топливо или газифицированный уголь, установка риформинга обычно используется для преобразования углеводородов в газовую смесь водорода и углеродных соединений, называемую «реформатом». Во многих случаях продукт риформинга затем отправляется в набор реакторов для преобразования моноксида углерода в диоксид углерода и удаления любых следов монооксида углерода, а также в слой сорбента для удаления других примесей, таких как соединения серы, перед его отправкой на установку. батарея топливных элементов.Этот процесс предотвращает связывание примесей в газе с катализаторами топливных элементов. Этот процесс связывания также называют «отравлением», потому что он снижает эффективность и ожидаемый срок службы топливного элемента.

Некоторые топливные элементы, такие как топливные элементы с расплавом карбоната и твердого оксида, работают при достаточно высоких температурах, чтобы топливо можно было преобразовать 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 достигнет топливного элемента.Как внутренний, так и внешний риформинг выделяют диоксид углерода, но благодаря высокой эффективности топливных элементов выделяется меньше диоксида углерода, чем двигателями внутреннего сгорания, такими как те, которые используются в транспортных средствах с бензиновым двигателем.

Стабилизаторы мощности

Стабилизация мощности включает в себя управление током (в амперах), напряжением, частотой и другими характеристиками электрического тока для удовлетворения потребностей приложения. Топливные элементы производят электричество в форме постоянного тока (DC).В цепи постоянного тока электроны текут только в одном направлении. Электричество в вашем доме и на рабочем месте представляет собой переменный ток (AC), который течет в обоих направлениях с чередованием циклов. Если топливный элемент используется для питания оборудования, использующего переменный ток, постоянный ток необходимо преобразовать в переменный ток.

Необходимо согласовать питание как переменного, так и постоянного тока. Инверторы и кондиционеры тока адаптируют электрический ток от топливного элемента к электрическим потребностям приложения, будь то простой электродвигатель или сложная электросеть.Конверсия 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 входящего воздуха в 2–4 раза по сравнению с атмосферным давлением окружающей среды. Для транспортных средств воздушные компрессоры должны иметь КПД не менее 75%. В некоторых случаях также включается детандер для рекуперации энергии выхлопных газов высокого давления.КПД расширителя должен быть не менее 80%.

Увлажнители

Мембрана из полимерного электролита, лежащая в основе топливного элемента PEM, плохо работает в сухом состоянии, поэтому многие системы топливных элементов включают увлажнитель для входящего воздуха. Увлажнители обычно состоят из тонкой мембраны, которая может быть изготовлена из того же материала, что и PEM. Путем пропускания сухого входящего воздуха с одной стороны увлажнителя и влажного отработанного воздуха с другой стороны, вода, производимая топливным элементом, может быть повторно использована для поддержания хорошей гидратации PEM.

Обзор того, где мы находимся в замещении углеводородов

После «дня водорода и топливных элементов» в США 8 октября компания MEED внимательно изучила водородную экономику.

———————————————————————————————————————————–

Большинство наблюдателей за текущими событиями знают о растущей тенденции транспортировки электромобилей, и многие наверняка слышали название Tesla. Действительно, пыл настолько, что иногда бывает трудно вспомнить альтернативы, и что одна из них – водородная технология.

«Водородная экономика» относится к идее преобразования нашей существующей углеводородной инфраструктуры – от статической выработки электроэнергии до полного спектра транспортных приложений – для работы на водороде, чтобы сократить выбросы углерода и диоксида углерода.

Это преобразование может происходить везде, где углеводороды используются в качестве топлива, но особый интерес представляют потенциальные транспортные приложения, где электромобили на топливных элементах (FCEV) рассматриваются как особенно жизнеспособная альтернатива традиционным автомобилям с углеводородным двигателем.

Инфографика водорода (1)

Внутри топливного элемента

Топливный элемент работает так же, как электрическая батарея, преобразуя химическую энергию в электрическую, используя движение заряженных ионов водорода через электролитную мембрану для генерации тока. Там они рекомбинируют с кислородом, чтобы произвести воду – единственный выброс топливного элемента, наряду с горячим воздухом.

Хотя современные топливные элементы менее эффективны, чем электрические батареи, они выгодно отличаются от технологий двигателей внутреннего сгорания, которые преобразуют топливо в кинетическую энергию с эффективностью примерно 25%.Топливный элемент, напротив, может смешивать водород с воздухом для производства электроэнергии с эффективностью до 60%.

FCEV также представляют собой относительно низкие барьеры для входа с точки зрения социальных изменений, поскольку они работают и работают аналогично обычным транспортным средствам, заправляясь на станциях за считанные минуты и проезжая от 500 до 600 километров на одном баке, и все это без вредных выбросов.

Производство водорода

Само водородное топливо можно производить с постоянно растущей рентабельностью с помощью электролиза, расщепляя воду на составляющие атомы водорода и кислорода.При этом образуются два полезных газа, а при использовании экологически чистой энергии производство водорода становится углеродно-нейтральным.

В настоящее время, однако, только 2 процента из 600 миллиардов кубических метров водорода, производимого ежегодно во всем мире, производится путем электролиза воды, а 98 процентов производится из природного газа с двуокисью углерода в качестве побочного продукта.

Более 90 процентов этого водорода используется в качестве строительного материала для удобрений или потребляется в нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности в целом.

Таким образом, развитие водородной экономики на начальных этапах зависит от государственных инвестиций. Необходимы инвестиции в инфраструктуру производства и распределения водорода, а также в проекты возобновляемой энергетики, необходимые для производства энергии с нулевым выбросом углерода.

На данный момент нехватка такой инфраструктуры представляет собой самое большое препятствие для внедрения водородной технологии.

Ближневосточные испытания

Тем не менее, предпринимаются попытки восполнить этот пробел в производственных мощностях, не в последнюю очередь на Ближнем Востоке.

Хотя впереди еще долгий путь, в настоящее время ведутся работы на первой в регионе водоэлектролизной установке на солнечной энергии в солнечном парке Мохаммеда бин Рашида аль-Мактума по совместной схеме Управления электричества и водоснабжения Дубая (Dewa). , Siemens и Expo 2020 Dubai.

Связанный отчет

Тематические отчеты

Беспокоитесь ли вы о темпах инноваций в вашей отрасли?

В отчете

GlobalData по темам TMT за 2021 год рассказывается все, что вам нужно знать о темах подрывных технологий и о том, какие компании лучше всего могут помочь вам в цифровой трансформации вашего бизнеса.

Узнать больше

Этот проект будет иметь мощность для производства 240 кг водорода в день – достаточно, чтобы заполнить баки FCEV на 50 пассажиров и привести их в действие в общей сложности 30 000 км – и он настроен на доставку водорода на площадку Expo 2020 для нескольких приложений. , включая пилотное транспортное решение FCEV.

Toyota Mirai, самый популярный в мире FCEV, тем временем был запущен в ОАЭ еще в октябре 2017 года, когда местный дистрибьютор Toyota Al-Futtaim Motors открыл первую водородную станцию в стране, в Masdar City в Абу-Даби и во французской Air Liquide.

Несмотря на то, что эти региональные проекты являются пилотными, эти региональные проекты подкрепляются все более очевидной реальностью водородной экономики на азиатских рынках и, в частности, в Японии, где уже создано 100 заправочных станций, и правительство намерено к 2030 году иметь 800000 автомобилей FCEV на дороге, наряду с снижение стоимости водорода к 2050 году на 90%.

Электрические соревнования

Однако факт остается фактом: недавнее финансирование исследований и разработок технологии электромобилей (EV) значительно превысило финансирование электролиза воды и технологии топливных элементов.

Эта ситуация была вызвана быстрым развитием более эффективных и рентабельных технологий электрических батарей, снижающих потенциальные затраты на электрифицированные транспортные системы.

Электромобили и гибридные автомобили имеют дополнительное преимущество с точки зрения общей энергоэффективности. Батареи теперь теряют лишь около 17 процентов первоначальной потребляемой электроэнергии из-за неэффективности при зарядке и разрядке, в то время как цикл использования электрической энергии для разделения воды на составляющие ее атомы и рекомбинации водорода с воздухом внутри топливного элемента приводит к потере более 50 процентов энергии. цент

Установка точек зарядки электромобилей в ключевых местах, например, на автостоянках предприятий, также проще и обещает правительствам более немедленную и очевидную прибыль, чем более сложная задача по созданию инфраструктуры распределения водорода.

В результате на сегодняшний день, хотя продажи электромобилей и подключаемых гибридных автомобилей исчисляются миллионами, самая популярная модель FCEV, Toyota Mirai, была продана всего 5 000 единиц.

В поисках подходящей ниши

Однако, хотя пассажирские FCEV в последнее время уступили место электромобилям, интерес к водородным технологиям растет как для ряда нишевых сегментов рынка транспортных средств, так и для других приложений.

Технология FCEV может быть особенно полезна для коммерческих приложений, где более крупногабаритным транспортным средствам необходимо преодолевать большие расстояния, перевозить тяжелые грузы и заправляться топливом с минимальным временем простоя.

С этой целью водородные испытания были проведены на всем, от общественных автобусов и вилочных погрузчиков до поездов, самолетов и лодок. Для таких применений, особенно на больших кораблях, электрические батареи должны быть проблемно большими.

В краткосрочной и среднесрочной перспективе водород также можно использовать для замены части сжатого природного газа, используемого в бытовых применениях, с минимальными изменениями существующей инфраструктуры.

Исследование, проведенное Университетом Суонси в Великобритании, показало, что до 30 процентов бытового газа можно безопасно заменить водородом, тем самым снизив выбросы углерода на 18 процентов без каких-либо изменений в существующей инфраструктуре.

В Европе группа производителей EUTurbines обязалась к 2020 году довести до 20% газообразного водорода свои газовые турбины и разработать турбинные технологии, которые позволят всем производимым агрегатам работать или модернизироваться для работы на 100-процентный водородный газ и нейтральный выброс углерода к 2030 году.

Повышение эффективности

В глобальном масштабе стоимость водорода уже снижается, частично в соответствии с падением стоимости возобновляемых источников энергии, но также из-за улучшений в области электролиза воды и технологии водородных топливных элементов.

Международное энергетическое агентство, базирующееся в Париже, ожидает, что стоимость производства водорода упадет еще на 30 процентов к 2030 году, но быстрое снижение стоимости недавних проектов фотоэлектрической солнечной энергии на Ближнем Востоке может означать местные затраты на коммерческие производство водорода упадет еще быстрее.

Поскольку инвестиции в водородную инфраструктуру растут, а чистые затраты продолжают падать, водородная экономика может оказаться незаменимым инструментом в переходе от углеводородов.

Связанный отчет:

Солнечная тепловая энергия в Китае, прогноз рынка до 2030 г., обновление 2018 г. – мощность, генерация, инвестиционные тенденции, нормативные акты и профили компаний

MEED
Источник этой статьи взят из дочерней публикации Power Technology www.meed.com, ведущий источник ценной бизнес-аналитики и экономического анализа Ближнего Востока и Северной Африки. Чтобы получить доступ к большему количеству материалов MEED, зарегистрируйтесь в 30-дневной программе бесплатных гостевых пользователей.

Связанный отчет

Последний отчет от Посетить GlobalData Store

Связанные компании

Quartzelec Ltd

Услуги вращающихся машин (до 600 МВт) | Подрядные услуги по высоковольтному / низковольтному оборудованию

Азимут Марин Б.В.

Судовое агентирование, исследования, техническое обслуживание и решения для управления проектами для энергетического сектора

Связанные компании

ESI Eurosilo

Расширенные решения для хранения сыпучих материалов

28 августа 2020

Quartzelec Ltd

Услуги вращающихся машин (до 600 МВт) | Подрядные услуги по высоковольтному / низковольтному оборудованию

28 августа 2020

Азимут Марин Б.В.

28 августа 2020

Маск называет водородные топливные элементы «глупыми», но технологии могут угрожать Tesla

Клиент заправляет автомобиль водородом на заправочной станции TrueZero в Милл-Вэлли, Калифорния.Штат тратит более 2,5 миллиарда долларов из фондов чистой энергии для ускорения продаж автомобилей на водороде и аккумуляторных батареях. Это включает 900 миллионов долларов, выделенных на завершение строительства 200 водородных станций и 250 000 зарядных станций к 2025 году.

Bloomberg | Bloomberg | Getty Images

Tesla и ее конкуренты на рынке электромобилей с батарейным питанием доминируют в спорах о том, кто будет контролировать будущее автомобилей, но в Соединенных Штатах есть еще один вид экологически чистых транспортных технологий, основанный на самых распространенных технологиях. ресурс во вселенной.

Электромобили на топливных элементах (FCEV) объединяют водород, хранящийся в резервуаре, 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 электросети, а все текущие модели превышают 300 миль при полном баке. Они наполняются форсункой почти так же быстро, как традиционные газовые и дизельные автомобили. Хотя сами автомобили на топливных элементах испускают водяной пар только из выхлопных труб, Союз обеспокоенных ученых отмечает, что производство водорода может привести к загрязнению.Хотя возобновляемые источники водорода, такие как сельскохозяйственные угодья и свалки, увеличиваются, большая часть водорода, используемого в качестве топлива, поступает из традиционной добычи природного газа. Тем не менее, отдача по-прежнему меньше, чем у бензиновых аналогов.

Водородная энергия присутствует на рынке в течение многих лет, но ее объем чрезвычайно ограничен. В настоящее время в Калифорнии 39 общественных водородных заправочных станций (еще 25 находятся в стадии разработки), а также пара на Гавайях. Теперь у Восточного побережья появляется собственная инфраструктура.Несколько станций уже работают, и еще больше в Нью-Йорке, Нью-Джерси, Массачусетсе, Коннектикуте и Род-Айленде.

Коммерческий успех, проблемы потребителей

Водород более широко используется на коммерческом рынке. Более 23000 вилочных погрузчиков на топливных элементах работают на складах и в распределительных центрах 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.

Количество заправочных станций водородом растет во всем мире. Toyota и Honda объединяются с правительством Квебека для создания водородной инфраструктуры в Монреале в этом году, и даже богатая нефтью Саудовская Аравия получает свою первую станцию.

Toyota, второй по величине автопроизводитель в мире, является крупнейшим игроком на потребительском рынке США автомобилей на водородных топливных элементах. Его Mirai – семейный автомобиль на водородных топливных элементах – нашел 5000 покупателей с тех пор, как он был представлен осенью 2015 года.Расс Кобле, представитель группы по охране окружающей среды 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 заявляет, что масштабируемость технологии водородных топливных элементов также привела к появлению двух приложений для Калифорнийских технико-экономических обоснований в другой области, представляющей интерес для Tesla: грузовики с полуприцепами.

Полуприцеп Toyota Motor, работающий на водородных топливных элементах, представлен на AutoMobility LA в преддверии автосалона в Лос-Анджелесе

Патрик Т. Фэллон | Bloomberg | Getty Images

Honda также сделала большой выбор в пользу 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 топливный элемент Clarity Fuel Cell в Калифорнии – она предлагает в аренду или продажу гибридные версии автомобиля с аккумулятором и электроэнергией.Из 20 174 автомобилей Clarity, проданных или сданных в аренду в 2018 году, 624 были вариантами топливных элементов, 948 – электрическими батареями и 18 602 – гибридными.

Honda и Toyota объединились с дочерней компанией Shell Oil для строительства новых водородных заправочных станций в Калифорнии. По словам Кумаратне, два объекта уже построены, а пять находятся в стадии строительства. Компания выступает за строительство станций на северо-востоке США, некоторые из которых находятся в стадии разработки. «Партнерство с другими производителями водородных топливных элементов и влиятельными лицами отрасли имеет смысл.«У всех нас есть кожа в игре», – 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. Компания только что представила Nexo в США. Агентство по охране окружающей среды оценивает запас хода среднеразмерного кроссовера до 380 миль, что больше, чем у любого электромобиля с батарейным питанием. рынок.

По состоянию на 1 февраля в США было продано и сдано в аренду чуть более 6000 электромобилей на топливных элементах, 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, что он сказал о технологии. Он назвал их «дурацкими ячейками», «грудой мусора» и сказал акционерам Tesla на ежегодном собрании несколько лет назад, что «успех просто невозможен.«

Маск нашел неожиданный источник поддержки в 2017 году, когда Йошиказу Танака, главный инженер, отвечающий за Mirai, сказал Рейтер:« Илон Маск прав – лучше заряжать электромобиль напрямую от розетки ». Но Toyota Исполнительный директор добавил, что водород является жизнеспособной альтернативой бензину. Председатель Toyota Такеши Учиямада сказал Reuters на том же автосалоне в Токио в 2017 году: «Мы действительно не видим враждебных отношений с нулевой суммой между электромобилями (электромобиль с батарейным питанием). и водородный автомобиль.Мы вовсе не собираемся отказываться от технологии водородных электрических топливных элементов ».

Автомобильная промышленность в целом не разделяет взгляды Маска на будущее, основанное на принципе« батарея или разрушение ». В 2017 году был проведен опрос 1000 руководителей автомобильной отрасли. KPMG пришли к выводу, что водородные топливные элементы имеют лучшее долгосрочное будущее, чем электромобили, и будут представлять собой «настоящий прорыв» (78 процентов), причем руководители автомобилестроительных компаний назвали короткое время дозаправки, всего несколько минут, главным преимуществом. 62% респондентов заявили KPMG, что проблемы с инфраструктурой приведут к краху рынка электромобилей с батарейным питанием.

В Калифорнии продолжаются дебаты по поводу того, окупили ли субсидии, предложенные штатом для запуска рынка топливных элементов, инвестиции, судя по ограниченному использованию заправочных станций и отсутствию прибыли. Калифорния привержена усилиям, начатым при бывшем губернаторе Джерри Брауне, по финансированию инициатив в области возобновляемых источников энергии, которые включали план транспортных средств с нулевым выбросом в размере 900 миллионов долларов и финансирование инфраструктуры зарядки электромобилей, в том числе 200 водородных станций к 2025 году.

Мы могли видеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше литий-ионных батарей, а также обеспечивают гораздо больший радиус действия.
Дэвид Антонелли
Кафедра физической химии в Ланкастерском университете

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

Ford экспериментировал с вариантами топливных элементов своих автомобилей Focus и Fusion, а также Edge кроссовер, но таких машин в продажу не предлагает.

«С постоянно растущей долей возобновляемых источников энергии водородные топливные элементы могут сыграть важную роль в будущем», – сказал представитель Ford. «С точки зрения массового вывода на рынок, однако, аккумулятор в настоящее время занимает более выгодное положение по сравнению с топливным элементом – не в последнюю очередь из-за ситуации со стоимостью и доступной инфраструктурой. Наша работа будет по-прежнему сосредоточена на электрификации, поскольку мы будем следить за развитием производства водорода. В настоящее время у нас нет планов предлагать автомобили на водородных топливных элементах ».

Fiat Chrysler не продает автомобиль на топливных элементах в США.S., но в течение 15 лет он поддерживал исследования под руководством профессора Дэвида Антонелли, кафедры физической химии в Ланкастерском университете в Великобритании, которые могли снизить затраты на технологию. Его команда работает с материалом, который позволяет сделать топливные баки меньше, дешевле и более энергоемкими, чем существующие технологии водородного топлива, а также транспортные средства с батарейным питанием.

«Стоимость производства нашего материала настолько низка, а плотность энергии, которую он может хранить, намного выше, чем у литий-ионной батареи, что мы можем видеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи. а также обеспечивает гораздо больший радиус действия “, – сказал Антонелли.Лицензия на технологию предоставлена коммерческой компании Kubagen, созданной Антонелли.

Модель автомобиля и цены на заправку остаются серьезными проблемами

Безопасность вызывает беспокойство, так как водород легковоспламеняем, но бензин и литий-ионные аккумуляторы тоже. Транспортировка водорода для использования на заправочных станциях создает дополнительные риски для безопасности – станции используют датчики для отслеживания утечек. В Калифорнии не сообщалось о серьезных инцидентах, а промышленный сектор перевозил водород на протяжении десятилетий.

По данным Национальной ассоциации противопожарной защиты, автомобили с альтернативным топливом, категория, которая включает как водородные топливные элементы, так и электрические батареи, не более опасны, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания. Статистика NFPA показывает, что примерно каждые 3 минуты в США возникает пожар из-за двигателя внутреннего сгорания.

Однако самым большим препятствием может быть цена.

Средняя цена на водородное топливо в Калифорнии составляет около 16 долларов за кг – бензин продается за галлоны (объем), а водород за килограмм (вес).Для сравнения: 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 проходят вдвое больше, чем современный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания с эквивалентным газом в баке, что дает эквивалент бензина на галлон от 5 до 6 долларов.

Автомобили на водородных топливных элементах в настоящее время имеют средний запас хода от 312 до 380 миль, согласно EPA. Заправка из порожнего топлива будет стоить около 80 долларов (большинство водителей не позволяют баку полностью опуститься перед заправкой, поэтому в конечном итоге заправка обходится от 55 до 65 долларов).Эта стоимость в настоящее время оплачивается автопроизводителями, которые предоставляют арендаторам предоплаченные карты на три года заправки топливом на сумму до 15 000 долларов. В Калифорнии, где самые высокие в стране цены на бензин, заправка обычного автомобиля большим бензобаком может стоить 40 долларов и более.

Kelley Blue Book оценивает годовые 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 линию прямой видимости, чтобы попасть туда, но это объемная игра, и нам нужно достичь критической массы», – сказал Шейн Стивенс, директор по разработке сотрудник компании FirstElement Fuel, которая управляет 19 из 39 водородных заправочных станций в Калифорнии и разрабатывает 12 из 25 дополнительных станций для штата.Ближайшая цель его компании – 10 долларов за килограмм, что равняется примерно 4 долларам за галлон газа. «Это хорошее краткосрочное приемлемое число, которое можно достичь в ближайшие три-пять лет и избавить людей от топлива, субсидируемого автопроизводителями», – сказал Стивенс.

Самая большая проблема: автомобили остаются дорогими. Например, Nexo – самый дорогой Hyundai, продаваемый в США, со стартовой ценой в 59 345 долларов (стартовые цены на Santa Fe сопоставимого размера от бренда начинаются с 24 250 долларов). Модели топливных элементов Toyota Mirai и Honda Clarity имеют аналогичную рекомендованную производителем розничную цену в диапазоне 59 000 долларов.Эти покупки автомобилей имеют право на государственные скидки – в Калифорнии доступна налоговая скидка в размере 5000 долларов США.

Лизинг был популярным выбором потребителей для электромобилей на топливных элементах и аккумуляторных батареях, потому что эта технология является новой, и первые пользователи не хотят быть привязанными к текущей модели в течение длительного времени по мере развития технологий 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.«У Honda есть долгосрочные обязательства по производству водорода, но вы не можете продавать автомобили без инфраструктуры», – сказал Кумаратне.

Стивенс сказал, что если рынок в Калифорнии достигнет «нескольких сотен тысяч автомобилей», он сможет быть конкурентоспособным по цене с бензином. Это большой скачок по сравнению с 6000 проданными на данный момент автомобилями, но большинство новых автомобильных рынков начинаются с ограниченного 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 так уж и далеко. И это всего лишь Toyota, – сказал Стивенс. – Речь идет не о субсидировании всего роста инфраструктуры, а просто о том, чтобы помочь нам преодолеть препятствие, а это уже не за горами. Если мы дойдем до нескольких сотен тысяч автомобилей, мы действительно сможем отказаться от государственных субсидий и стать самодостаточными ».

Поправка: водород – самый богатый ресурс во вселенной. Из-за ошибки редактирования более ранняя версия эта статья искажает этот факт.

Использование водорода – Управление энергетической информации США (EIA)

Использование водорода

Почти весь водород, потребляемый в Соединенных Штатах, используется промышленностью для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и обработки пищевых продуктов. Нефтеперерабатывающие заводы США используют водород для снижения содержания серы в топливе.

Ракетное топливо – основное использование водорода для получения энергии

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) начало использовать жидкий водород в 1950-х годах в качестве ракетного топлива, и НАСА было одним из первых, кто использовал водородные топливные элементы для питания электрических систем космических кораблей.

Космическая ракета НАСА

Источник: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) (общественное достояние)

Источник: адаптировано из проекта Национального энергетического образования (общественное достояние)

Водородные топливные элементы вырабатывают электроэнергию

Водородные топливные элементы производят электричество путем объединения атомов водорода и кислорода. Водород реагирует с кислородом через электрохимический элемент, аналогичный аккумулятору, с образованием электричества, воды и небольшого количества тепла.

Для широкого спектра применений доступно множество различных типов топливных элементов. Маленькие топливные элементы могут питать портативные компьютеры и даже сотовые телефоны, а также в военных приложениях. Большие топливные элементы могут обеспечивать электроэнергией для резервного или аварийного питания в зданиях и снабжать электричеством места, которые не подключены к электрическим сетям.

По состоянию на конец октября 2020 года на 108 объектах в Соединенных Штатах имелся около 161 действующий топливный элемент, общая электрическая мощность которых составляла около 250 мегаватт (МВт).Самым крупным из них является Энергетический центр Red Lion в Делавэре, общая мощность которого составляет около 25 МВт, в котором для работы топливных элементов используется водород, полученный из природного газа.

Использование водорода в транспортных средствах

Интерес к водороду как транспортному топливу основан на его потенциале для внутреннего производства и использования в топливных элементах для высокоэффективных электромобилей с нулевым уровнем выбросов. Топливный элемент в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине.Использование водорода в транспортных средствах является основным направлением исследований и разработок топливных элементов.

В Соединенных Штатах несколько производителей автомобилей начали выпускать малотоннажные электромобили на водородных топливных элементах в некоторых регионах, таких как Южная и Северная Калифорния, где есть доступ к водородным заправочным станциям. Испытательные автомобили также доступны в ограниченном количестве для избранных организаций, имеющих доступ к водородным заправочным станциям.

Большинство транспортных средств, работающих на водороде, – это автомобили и транзитные автобусы, у которых есть электродвигатель, работающий от водородного топливного элемента.Некоторые из этих автомобилей сжигают водород напрямую. Высокая стоимость топливных элементов и ограниченная доступность водородных заправочных станций ограничили количество автомобилей, работающих на водороде.

Гибридный автомобиль на водородных топливных элементах

Источник: Wikimedia Commons

Проблема дозаправки

Производство автомобилей на водородном топливе ограничено, потому что люди не будут покупать эти автомобили, если водородные заправочные станции труднодоступны, а компании не будут строить заправочные станции, если у них нет клиентов с автомобилями, работающими на водороде.В Соединенных Штатах около 46 заправочных станций для водородных транспортных средств, и почти все они находятся в Калифорнии. Программа чистого транспорта штата Калифорния включает помощь в создании общедоступных заправочных станций для водородных транспортных средств по всей Калифорнии для продвижения потребительского рынка автомобилей с топливными элементами с нулевым уровнем выбросов.

Последнее обновление: 7 января 2021 г.

Водородные и топливные элементы | Мир возобновляемых источников энергии

НАСА использует водородное топливо для запуска космических кораблей.Предоставлено: НАСА

Водород – простейший элемент. Атом водорода состоит только из одного протона и одного электрона. Это также самый многочисленный элемент во Вселенной. Несмотря на свою простоту и изобилие, водород не встречается на Земле в естественном виде в виде газа – он всегда сочетается с другими элементами. Например, вода представляет собой комбинацию водорода и кислорода (H ₂ O).

Водород также содержится во многих органических соединениях, особенно в углеводородах , которые составляют многие из наших топлив, таких как бензин, природный газ, метанол и пропан.Водород можно отделить от углеводородов с помощью тепла – процесс, известный как риформинг . В настоящее время большая часть водорода производится таким способом из природного газа. Электрический ток также можно использовать для разделения воды на кислород и водород. Этот процесс известен как электролиз . Некоторые водоросли и бактерии, используя солнечный свет в качестве источника энергии, даже выделяют водород при определенных условиях.

Водород очень энергоемкий, но двигатель, работающий на чистом водороде, почти не загрязняет окружающую среду.НАСА использует жидкий водород с 1970-х годов для вывода на орбиту космических кораблей и других ракет. Водородные топливные элементы питают электрические системы шаттла, производя чистый побочный продукт – чистую воду, которую пьет экипаж.

Водородные топливные элементы

Топливный элемент объединяет водород и кислород для производства электричества, тепла и воды. Топливные элементы часто сравнивают с батареями. Оба преобразуют энергию, полученную в результате химической реакции, в полезную электроэнергию. Однако топливный элемент будет вырабатывать электричество, пока есть топливо (водород), и никогда не теряет свой заряд.

Топливные элементы – перспективная технология для использования в качестве источника тепла и электричества для зданий, а также в качестве источника электроэнергии для электродвигателей, приводящих в движение транспортные средства. Топливные элементы лучше всего работают на чистом водороде. Но такие виды топлива, как природный газ, метанол или даже бензин, можно преобразовать для производства водорода, необходимого для топливных элементов. Некоторые топливные элементы даже можно заправлять непосредственно метанолом без использования риформинга.

В будущем водород также может присоединиться к электричеству в качестве важного энергоносителя.Энергоноситель перемещается и доставляет энергию потребителям в пригодной для использования форме. Возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, не могут производить энергию постоянно.

Топливный элемент на водороде: Toyota создает новые водородные топливные элементы

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

Американцы объявили о создании мощного водородного топливного элемента для авиации

Топливные элементы (топливные ячейки)

Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

Что такое топливный элемент?

Топливные элементы

Ассортимент энергетических систем серии DRON, доступных к заказу

Заправка водородом

Видео-отчеты

Получить энергию на h3 – Энергетика и промышленность России – № 06 (314) март 2017 года – WWW.

Топливо будущего

Водородное развитие

Свойства металла

Решения для анализа и разработки водородных топливных элементов

топливных элементов | Министерство энергетики

Why Study Fuel Cells

Как работают топливные элементы

Цели исследований и разработок

Технические цели

Части топливного элемента

Узел мембранных электродов

Слои катализатора

Аппаратное обеспечение

Биполярные пластины

Прокладки

Системы топливных элементов | Министерство энергетики

Стек топливных элементов

Топливный процессор

Стабилизаторы мощности

Воздушные компрессоры

Увлажнители

Обзор того, где мы находимся в замещении углеводородов

Внутри топливного элемента

Производство водорода

Ближневосточные испытания

Связанный отчет

Тематические отчеты

Беспокоитесь ли вы о темпах инноваций в вашей отрасли?

Электрические соревнования

В поисках подходящей ниши

Повышение эффективности

Связанный отчет

Связанные компании

Quartzelec Ltd

Азимут Марин Б.В.

Связанные компании

ESI Eurosilo

Quartzelec Ltd

Азимут Марин Б.В.

Маск называет водородные топливные элементы «глупыми», но технологии могут угрожать Tesla

Коммерческий успех, проблемы потребителей

Маск о водородных «дурацких элементах»

Модель автомобиля и цены на заправку остаются серьезными проблемами

Использование водорода – Управление энергетической информации США (EIA)

Использование водорода

Ракетное топливо – основное использование водорода для получения энергии

Водородные топливные элементы вырабатывают электроэнергию

Использование водорода в транспортных средствах

Проблема дозаправки

Водородные и топливные элементы | Мир возобновляемых источников энергии

Водородные топливные элементы

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ