Водородная топливная ячейка: Топливные (водородные) элементы/ячейки

Топливные (водородные) элементы/ячейки

Применение топливных элементов/ячеек в системах телекоммуникации

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

Традиционные телекоммуникационные решения в области резервного электропитания включают батареи (свинцово-кислотный элемент аккумуляторной батареи с клапанным регулированием) для резервного питания в течение непродолжительного времени и дизельные и пропановые генераторы для более продолжительного резервного питания. Батареи являются относительно дешевым источником резервного питания на 1 – 2 часа. Однако батареи не подходят для более продолжительного резервного питания, так как их техническое обслуживание является дорогим, они становятся ненадежными после долгой эксплуатации, чувствительны к температурам и опасны для окружающей среды после утилизации. Дизельные и пропановые генераторы могут обеспечить продолжительное резервное электропитание. Однако генераторы могут быть ненадежными, требуют трудоемкого технического обслуживания, выделяют в атмосферу высокие уровни загрязнений и газов, вызывающих парниковый эффект.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи

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

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

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

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

Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных

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

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

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

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

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

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

Применение топливных элементов/ячеек в системах безопасности

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение топливных элементов/ячеек в распределительных сетях

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

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

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

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

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

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

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

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

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

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

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

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

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

2020-12-10T03:00

2020-12-10T03:00

2020-12-10T03:00

наука

томск

томский политехнический университет

российская академия наук

навигатор абитуриента

университетская наука

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

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

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

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

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

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

томск

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

Новости

ru-RU

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

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

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

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

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

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

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

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.

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.

Как работают водородные топливные элементы

Работа водородных топливных элементов относительно проста. Их работа интересна тем, что для сгорания нужны только вода и энергия. Как мы знаем, экологический аспект имеет решающее значение для автомобилестроения в 21 веке. Узнайте, как работают современные водородные приводы и как решения Knauf могут поддержать их производительность.

Экологичная двигательная установка – как работают водородные топливные элементы?

Водород – первый элемент периодической таблицы. Это самый легкий и распространенный химический элемент во Вселенной. Его много на Земле, но в чистом виде он редко встречается. Однако его можно найти во многих других соединениях, в том числе и в воде.

Водород может использоваться в качестве топлива для различных транспортных средств — от скутеров и автобусов до космических ракет. Схема реакции, которая возникает при сжигании чистого газообразного водорода в кислороде, выглядит следующим образом:

2H₂ (g) + O₂ (g) → 2H₂O (g) + energy

Поэтому процесс здесь чрезвычайно чистый — не образуется никаких дополнительных соединений, например, CO2 или других вредных веществ. Энергии, получаемой при сжигании водорода, достаточно для приведения в действие автомобиля. Несмотря на это, использование водорода в качестве экологически чистого источника энергии создает серьезную проблему: батареи, работающие на водороде, не являются экологически чистыми. Это связано с доступностью водорода – при имеющихся у нас условиях он лишь изредка доступен в форме, пригодной для использования в двигателях. Это означает, что мы должны получать его альтернативным способом. Существует несколько методов, но два из них стоит различать:

• Производство природного газа – паровое преобразование. Пар сочетается с метаном, в результате чего из моноксида углерода и водорода образуется синтез-газ. В ходе этого процесса выделяется значительное количество окиси углерода, но, несмотря на это, это все же более экологичный метод, чем сжигание ископаемого топлива.
• Зеленое производство водорода – это метод, основанный на возобновляемых источниках энергии. Высокая мощность электролизатора позволяет превращать воду в водород и кислород. Этот метод не способствует образованию химических соединений, вредных для окружающей среды.

См. также: Автомобили с водородным двигателем – стоимость, выбросы и рыночная информация

Факты о водородной двигательной установке – технология будущего или пережиток прошлого?

Водород, как сырье для производства автомобилей, является предметом дебатов на протяжении многих лет. Сегодня, однако, мы особенно близки к тому, чтобы широко использовать этот элемент для обеспечения высокой тяговой мощности. В настоящее время это решение не пользуется особой популярностью — в основном оно используется в больших автобусах. На рынке всего несколько тысяч автомобилей; чаще всего это демонстрационные автомобили или модели из частных коллекций.

Водородный двигатель, однако, страдает не от недостатка потенциала развития, а от отсутствия соответствующих исследований в этой области. Потенциал этого сырья признан большинством энергетических организаций. Поэтому ведутся передовые работы, направленные на то, чтобы сделать водородный топливный двигатель не только более эффективным, но и более доступным для ежедневного использования.

В настоящее время водородные технологии представляют интерес для тех стран, которые в наибольшей степени привержены программам климатических реформ, рассматривая это сырье как столь необходимую альтернативу электричеству. Однако пока еще не ясно, в какой степени энергетические установки смогут удовлетворить мировые потребности в эпоху электромобильности. Революция электромобилей, вероятно, потребует от нас полной реструктуризации транспорта и разработки альтернатив, которые позволят сотням тысяч электромобилей безопасно пользоваться электросетью. Возможно также, что водород, как высокопотенциальное сырье, навсегда останется в автомобильном секторе.

Воспользуйтесь преимуществами инноваций Knauf Industries — высококлассными компонентами из EPP для водородных топливных элементов

Электромобильность приносит не только новые возможности, но и вызовы. Для их реализации необходимы самые передовые решения. Опыт Knauf Automotive позволяет нам создавать инновации, которые помогают не только построить новую автомобильную отрасль, но и усовершенствовать существующие решения. Наша продукция предназначена для поддержки экологических решений. Мы стремимся предоставлять решения, пригодные для вторичной переработки и обеспечивающие добавленную стоимость на многих уровнях для клиентов.

Что касается водородных двигателей, то мы разработали высокотехнологичные решения с использованием таких материалов, как EPP. Перечень преимуществ EPP в защите купола для водородных судов является длинным.

Наиболее важным из них является амортизация ударов, так как основной задачей этой части является выполнение требований R134, который является регулированием для водородных суден. Детали из вспененного полипропилена должны быть стойкими к многократным ударам.

Другими ключевыми характеристиками компонентов из пенополипропилена для водородных сосудов являются:

• Легкость (детали с высоким рассеиванием энергии).
• Большой диапазон рабочих температур
• Химическая инерция
• Простота сборки
• Может поглощать изменение размеров сосудов

Те же самые характеристики делают EPP идеальным решением и для другого сектора «зеленой» мобильности – компонентов аккумуляторных батарей. Они позволяют снизить отрицательное влияние низких температур, которое негативно сказывается на их работе, без значительного увеличения веса автомобиля. Обеспечивая отличную электрическую и тепловую изоляцию, а также отличную ударопрочность, детали EPP являются важной частью решений, применяемых в электромобилях сейчас и будут применяться и в будущем.

Наши инженеры предлагают огромное количество различных решений для автомобильной промышленности, которые позволяют значительно улучшить функционирование электромобилей и автомобилей на водороде. Наш богатый опыт в сочетании с индивидуальным подходом позволяет нам сократить время вывода на рынок совершенно новых проектов, легко конфигурировать различные решения и быстро разрабатывать эффективные инновации, способствующие росту автомобильной промышленности в Европе и за ее пределами.

Преимущества водорода с точки зрения автомобилестроения

Это широко доступный, дешевый и эффективный элемент, поэтому уже сейчас стоит рассмотреть первоначальные мысли о моторе, в котором он будет использоваться. В настоящее время стоимость эксплуатации этого типа транспортных средств аналогична стоимости бензиновых автомобилей. Однако закупочная цена намного выше, а инфраструктура не так развита. Это те вопросы, которые, скорее всего, изменятся в будущем — и это будет значительным шагом на пути к улучшению экологической ситуации во всем мире.

См. также: Предложение компании «Кнауф Автомотив» по экологичным автокомпонентам из EPP.

Хотите получить более специализированные знания?

Топливная ячейка. Альтернатива или тупик?

Кто сказал, что электрокар непременно должен работать от аккумулятора? Ток для питания двигателей весьма неплохо получается путем физико-химического процесса и из водорода. Так что же собой представляет топливная ячейка?

Что в более или менее отдаленном будущем автомобили будут приводиться в движение электромоторами, уже не вопрос. Но не аккумуляторами едиными будет поставляться энергия – есть и альтернативный способ. Правда, пока не столь раскрученный. Ключевое слово здесь – водород.

Полный бак за две минуты

Речь идет о топливной ячейке. Устройство, придуманное еще в далеком 1839-м Уильямом Робертом Гроувом, использует водород для производства электроэнергии И, соответственно, вполне подходит для установки в электрокары. Последним такое решение дает важное преимущество: бак заполняется всего за несколько минут. Такая практичность использования – мощный козырь системы, хотя по другим аспектам она отнюдь не идеальна.

Но давайте по порядку. История применения топливной ячейки на практике возвращает в начало 60-х. Первая же попытка реализации (1966 год) из-за крайне высокой стоимости и скромных характеристик вынудила прервать разработку. В 90-х освоить тему пробовал Mercedes, сначала на двух коммерческих моделях, а затем на Necar 3 в 1997-м, у которого, однако, на борту был реформер – нечто вроде компактного перегонного завода для получения водорода из метанола.

В последующие годы исследования технологии уже не прерывались. Было создано несколько прототипов (например Audi А7 h-tron quattro) и мелкосерийных моделей, которые можно взять в аренду или приобрести (такие как Honda FCX Clarity и Toyota Mirai, Hyundai Nexo и Mercedes GLC F-Cell). От альтернативного же применения водорода – сжигания его в моторе (с этим долго экспериментировали в BMW) – отказались. И наоборот, интерес производителей к топливным ячейкам в последнее время рос примерно такими же темпами, как развивались электромобили с аккумулятором – последние считаются наиболее вероятными преемниками моделей с ДВС.

Но есть и те, кто сомневается в реальной перспективе будущего, где присутствуют исключительно электрокары. Для ежегодного объема производства 20 млн «чистых» машин на батареях, планируемого к 2025 году при сохранении текущих темпов роста, потребуется добрых два десятка огромных заводов для создания необходимого количества аккумуляторных ячеек.

Важность материалов

Но дело не только в этом: при подобных темпах могут всплыть проблемы с поставками стратегических для создания аккумуляторов материалов – лития, кобальта, графита. И тут преимущество получает Китай, доминирующий сегодня во всех фазах производственного процесса батарей. Важная причина, чтобы поработать над альтернативными вариантами, одним из которых выступают топливные ячейки.

Они, конечно, тоже не безупречны. Но в некоторых условиях могут сказаться интересным вариантом замещения, особенно для крупных и тяжелых автомобилей. Такие обычно используют на длинных маршрутах, и если их оснащать большими аккумуляторами, то это в немалой мере повлияет на стоимость покупки. При увеличении запаса хода серьезно растет и стоимость аккумуляторов, в то время как цена углепластиковых баков для хранения водорода под высоким давлением (700 бар) почти не меняется. По этой причине топливная ячейка является серьезным решением в том числе для фургонов и грузовиков, то есть транспорта, на котором применение тяжелых аккумуляторов серьезно снижает грузоподъемность.

Энергетический вектор

С точки зрения ценных или редких материалов преимущество топливных ячеек заключается в следующем: в них используется только платина, которую получают при утилизации нейтрализаторов традиционных автомобилей. К тому же ее требуется все меньше – например, в ячейке Mercedes GLC F-Cell используется лишь десятая часть того, что было необходимо B-Class F-Cell образца 2011 года. Так что прогноз Toyota относительно стоимости моделей на топливных ячейках в 2025-м, возможно, недалек от истины: по цене они действительно способны сравняться с гибридами.

То есть главной проблемой водородных автомобилей является добыча и поставка этого газа. В природе его много (где-то три четверти Вселенной), но он всегда связан с каким-нибудь другим веществом, например с кислородом, соединение с которым образует воду. Таким образом, речь идет об энергетическом векторе, а не об источнике энергии, поскольку для отделения водорода от других химических элементов нужно тратить энергию, впоследствии с потерями возвращающуюся при использовании в топливных ячейках для получения электричества. Если ограничиваться процедурой «из резервуара на колеса», то такой процесс гораздо менее эффективен, чем использование электроэнергии в электромобилях с аккумуляторами. Но выбросы С02 за весь жизненный цикл машины на водороде сравнимы с аналогичным параметром традиционного электрокара. В последнем случае важное значение приобретает влияние на окружающую среду процессов производства и переработки батарей.

Как батарея, только с газом

Топливная ячейка работает так же, как батарея, но использует кислород и водород в роли реагентов. Молекула водорода Н, разделяется на два протона Н+ и на два электрона на аноде. Первые проходят сквозь мембрану протонного обмена и достигают катода, в то время как электроны вынуждены проходить через внешний контур, чтобы достигнуть катода, генерируя таким образом электроэнергию. Субпродуктами процесса становятся вода и тепло. Сегодня водород получают чаще всего из метана с помощью химического процесса под названием реформинг, однако в таком случае экологичность автомобилей на топливных элементах получается невысокой (но в течение всего жизненного цикла она остается выше, чем у аналога с аккумуляторами при равном запасе хода).

Другой случай – получение водорода через электролиз воды с использованием свободной электроэнергии от возобновляемых источников (солнца и ветра): таким образом газ превращается в некое подобие аккумулятора энергии и это снижает его вред окружающей среде. Например, Германия ежедневно экспортирует около 50 тВт энергии, способной питать 7 млн автомобилей на топливных элементах. Водородная мобильность приведет к созданию сети заправок, которая пока находится в зачаточном состоянии: в мире существует всего около 300 станций. Однако в одной только Германии их общее количество должно достигнуть сотни к концу 2019 года и 400 к 2023-му.

Слово эксперту Toyota

Инженер Иосиказу Танака – «отец» Mirai, водородного автомобиля Toyota. Мы задали ему несколько вопросов во время конференции по устойчивой мобильности в Венеции.

Какие факторы тормозят распространение автомобилей на топливных элементах?

Помимо все еще высокой цены и ограниченного распространения точек заправки есть и психологический фактор. Может показаться странным, но некоторые леди опасаются, что машины на топливных элементах могут взорваться. Газ у многих ассоциируется с бомбой, что, естественно, не соответствует действительности – водородные автомобили безопасны, но пока еще приходится объяснять это публике.

Что касается общего влияния на природу, включая производство, использование и переработку, какие критические стороны есть у водородных автомобилей и насколько они в этом контексте отличаются от электрокаров с батареями?

Следует улучшить технологии углепластиковых баков и снизить применение этого материала. То же самое касается платины, которая используется как катализатор в топливной ячейке. Кроме того, как водород, так и аккумуляторы следует применять эффективнее. Первое решение лучше для крупных

автомобилей, коммерческого транспорта и автобусов, таких как наш Sora, где больше места для размещения баков для газа. Второе больше подходит городским моделям, потому что им не требуется большой запас хода

Сеть распространения водорода еще только предстоит создать. Ограничено и количество станций быстрой зарядки. Необходимо вкладываться в оба варианта или есть альтернативы?

Подзарядка аккумуляторов постоянным током высокой мощности (150-350 кВт) позволяет снизить время, необходимое для операции, но делает батарею недолговечной. Поэтому выгоднее использовать медленную домашнюю зарядку ночью, в то время как для более крупных и тяжелых автомобилей, что используются на длинных маршрутах, выгоднее использовать топливные элементы.

Водородные топливные элементы с турбонаддувом от HyPoint обеспечат аэротакси дальность полета 650 км

Калифорнийская компания HyPoint, основанная российскими инженерами, представила водородный топливный элемент новой конструкции. По ее заявлениям, он в три раза мощнее и в четыре раза долговечнее стандартных устройств такого типа.

Ожидается, что эта разработка будет способствовать развитию электрических летательных аппаратов, в том числе используемых в качестве аэротакси. С таким источником энергии они смогут пролетать без дозаправки 550–650 км при скорости до 300 км/ч.

Чтобы решить проблемы привода на водородном топливе, такие как низкая мощность, малый срок службы и ограниченный температурный диапазон применения, HyPoint создала топливный элемент, охлаждаемый воздухом с применением турбонаддува.

В этом устройстве водородные топливные ячейки находятся в закрытом пространстве, в котором с помощью нагнетающего давление 2–3 бар компрессора обеспечивается постоянная циркуляция воздуха. В результате этого водородный элемент постоянно работает при оптимальных значениях влажности и температуры. Когда концентрация кислорода внутри устройства понижается до 12–16%, воздух частично выпускается через специальный клапан и заменяется свежим, поступающим через компрессор.

Читайте также: Сделан фундаментальный прорыв в получении водородного топлива с помощью солнечного света

Благодаря повышенному давлению, обеспечивающему увеличенное содержание кислорода на катодной стороне топливной ячейки, и применению инновационной высокотемпературной протонообменной мембраны (HTPEM) внутрь элемента HyPoint попадает в три раза больше водорода, чем при традиционной конструкции.

В результате система обладает удельной мощностью 2000 Вт/кг. У стандартных водородных ячеек этот показатель составляет 150-800 Вт/кг. Плотность энергии элементов HyPoint достигает 960 Вт•ч/кг. Это примерно в 3 раза больше, чем у литий-ионных аккумуляторов и почти в 2 раза превышает значения, типичные для других топливных элементов.

Дополнительное преимущество устройства — способность работать на водороде, содержащем до 1% примесей, в то время как обычно допускается не более 0,001% загрязнений. Топливные элементы HyPoint могут использоваться при температуре от –50 до +50 °C. Предполагается, что им не потребуется обслуживание в течение 20000 часов.

HyPoint сотрудничает с рядом крупных компаний, занимающихся разработкой электрических летательных аппаратов, в том числе ZeroAvia и Bartini. Сейчас топливные элементы HyPoint созданы только в версии для лабораторных испытаний. Однако уже в этом году разработчики планируют собрать рабочий прототип мощностью 15–20 кВт, а в 2022 году создать полноценную систему на 150–200 кВт.

Читайте также: Водородный дрон Griflion работает в небе 15 ч без подзарядки

Источник: newatlas.com

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Топливные элементы и водородная энергетика

Учитывая высокую актуальность работ, связанных с водородной энергетикой, в институте уделяется большое внимание исследованиям как в области развития устройств генерации электроэнергии, работающих на водороде, в частности электрохимическим генераторам на топливных элементах, так и методов получения водорода.

Предложен концептуально новый подход к конструкции высокотемпературных топливных элементов с электролитом на расплаве карбонатов (РКТЭ). Использование замкнутых сетчатых электродов, погруженных в электролит, позволило исключить микропористую матрицу и, следовательно, устранить часть негативных массообменных процессов, сокращающих ресурс работы РКТЭ и увеличивающих их стоимость. Проведены комплексные исследования совокупности электрохимических и тепломассообменных процессов в новом РКТЭ.

Был развит метод химического осаждения твердооксидного тонкопленочного электролита ZrO2 на пористый электрод из газовой фазы металлоорганических соединений. Исследованы процессы массопереноса и термолиза металлоорганических соединений, роста пленок твердооксидного электролита.

На базе тонкопленочных электролитов созданы ячейки твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), работающие при пониженных температурах. Полученные результаты являются основой для создания эффективной технологии изготовления ТОТЭ.

Изучены гидродинамические и электрокинетические процессы в низкотемпературных топливных элементах на основе полимерных мембран. Создано оборудование и разработаны методики для отработки дизайна наноструктур каталитического слоя, внедрения в них катализатора, нанесения тонкопленочных покрытий; проводится изучение электрохимических процессов в электролитических ячейках, массообменных процессов в микроканалах биполярных пластин, ведутся работы по созданию газопроницаемых электродов с улучшенными массообменными характеристиками. Исследованы процессы тепло- и массообмена в пористом катоде топливного элемента. Получено численное решение уравнений многокомпонентной диффузии в неоднородной пористой среде с учетом конденсации паров воды в порах, распределения компонентов газовой смеси по длине диффузионного слоя и насыщенности пор водой; рассчитаны вольтамперные характеристики ТЭ.

Построены одномерные аналитические модели сопряжённого тепломассопереноса и электрокинетических явлений в многослойном топливном элементе, которые будут использованы в трехмерном конструкторе для оптимизации топливного элемента в целом.

Разработана концепция компактного ТЭ с анодом/топливом из алюминиевого сплава, с воздушным катодом, представляющим собой газодиффузионный слой на основе новых углеродных материалов, активированных катализатором. Отработана новая технология производства пористого газодиффузионного катода, ключевым элементом которого является новый плазмодуговой метод получения наноструктурированной углеродной сажи. На изготовленных по новой технологии электродах достигнуты плотности тока до 200 мА/см2.

Разработана математическая модель топливного элемента, основанная на численном решении трехмерной нестационарной сопряженной задачи теплопереноса и электрохимического реагирования с учетом теплообмена с окружающей средой и испарения воды с поверхности катода. Модель предсказывает пространственное распределение температуры и вольт-амперную характеристику ТЭ.

Развиты новые методы получения водорода и проводятся исследования, направленные на оптимизацию существующих методов.

Рассмотрены каталитические методы получения водорода и синтез-газа. Теоретически и экспериментально исследована гидродинамика и теплообмен в дисковом щелевом реакторе на основе теплопроводящих каталитически активных монолитов и в микроканальном каталитическом реакторе.

Проведены исследования реакций получения водорода при конверсии метана в водяном паре в неравновесном барьерном разряде при атмосферном давлении. При температурах, характерных для классической реакции в каталитических колоннах (~700 °С), обнаружен резкий рост скорости реакции конверсии в присутствии разряда. При этом затраты электроэнергии на поддержание разряда на порядок ниже полной тепловой мощности, вкладываемой в газ. Учитывая, что в данном подходе принципиально отсутствует эффект отравления катализатора соединениями серы, метод может иметь большие перспективы в технологиях получения водорода из природного газа.

Проведен цикл исследований процесса получения водорода при плазменной газификации углей в новом плазменном газификаторе, в котором электродами является поверхность расплавленного металла. Результаты экспериментов показали, что содержание водорода в синтез-газе при паровой газификации составляет от 50 до 55% в зависимости от содержания водорода в угле. С помощью численного моделирования проведены соответствующие расчеты реакций газификации, результаты которых хорошо совпали с экспериментом.
 

• Предтеченский М.Р., Смаль А.Н., Накоряков В.Е., Бобренок О.Ф. Топливные элементы на расплавах карбонатов на основе электродов новой конструкции // Тр. Института перспективных исследований. Вып. 1. Новосибирск, 2003.
• Накоряков В.Е., Гасенко В.Г. Математическая модель катодного узла топливного элемента с твердым электролитом // ЖПМТФ. 2005. Т. 46, № 5.
• Накоряков В.Е., Гасенко В.Г. Влияние капиллярных сил в пористых электродах на вольт-амперную характеристику топливных элементов с полимерной мембраной // Теорет. основы хим. технологии. 2006. Т. 40, № 2.
• Кузнецов В.В., Витовский О.В., Ситникова И.В. Экспериментальное исследование аэродинамики и теплопередачи в щелевом дисковом теплообменнике // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12, № 1.
• Predtechensky M.R., Bobrenok O.F., Gelfond N.V., Morozova N.B., Igumenov I.K. SOFC based on thin-film electrolyte // Proc. Solid Oxide Fuel Cell Congress IX. Quebec City, Canada, 15–19 May, 2005.
• Tukhto O.M., Predtechensky M.R., Shestakov D.A. The catalytic effect of dielectric barrier discharge on methane conversion by steam // Proc. 15th Int. Symp. on Plasma Chemistry. Orleans, France, 9–13 July, 2001.

Новый материал для топливных элементов позволяет создавать долгосрочные «энергетические ячейки»

Литиевые батареи — отличное решение для хранения энергии, генерируемой солнечными батареями или иными источниками «зеленого» электричества. Но они достаточно быстро разряжаются, так что это краткосрочное решение — накопить энергию «впрок» не получится. Кроме того, для хранения реально больших объемов энергии нужны очень массивные хранилища (одно такое построил Илон Маск в Австралии).

Специалисты ищут подходящее решение уже многие годы, но пока что ничего радикального создать не удалось. Правда, в последнее время становятся популярнее топливные элементы, которые вырабатывают энергию из, например, водорода. На днях стало известно о новом виде топливных ячеек, которые работают сразу в двух направлениях — они могут вырабатывать электричество из метана или водорода, или же потреблять энергию и производить метан или водород.

КПД ячейки довольно высокий: если потратить определенный объем энергии на выработку метана или водорода, а затем пустить все в обратном направлении, то получить можно 75% потраченного ранее электричества. В принципе, весьма неплохо.

Ограничения

Батареи, как уже говорилось выше, не слишком хороши для долгосрочных запасов электричества.

— медленная скорость подзарядки плюс дороговизна. Неплохим выходом могут служить проточные аккумуляторы, которые используются все шире.

Проточный (редокс) аккумулятор – это электрическое устройство хранения энергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. Жидкий электролит, состоящий из раствора металлических солей, прокачивают через ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электрода, разделенных мембраной. Возникающий между катодом и анодом ионный обмен приводит к выработке электричества.

Но проточные аккумуляторные не такие эффективные, как традиционные батареи, а электролит, который в них используется обычно токсичен или же вызывает коррозию (а иногда и то, и другое).

Альтернатива, позволяющая хранить энергию в течение долгого времени — превращать излишки электричества в топливо. Но здесь все не так просто, обычные схемы преобразования энергии в топливо достаточно энергозатратные, так что КПД системы никогда не будет высоким. Кроме того, катализаторы для проведения реакции обычно дорогие.

Способ сократить расходы — использовать обратимый (реверсивный) топливный элемент. В принципе, они не являются чем-то новым. При работе в прямом направлении топливные элементы берут водород или метан в качестве топлива и вырабатывают электричество. Работая в обратном направлении, они вырабатывают топливо, потребляя электричество.

Как раз реверсивные топливные элементы — идеальный вариант для долгосрочного хранения энергии, а также для получения метана или водорода там, где они нужны.

Почему же они еще не используются повсеместно? Потому, что в теории все выглядит отлично, но на практике возникают непреодолимые сложности. Во-первых, многие такие элементы нуждаются в высокой температуре для работы. Во-вторых, они производят смесь водорода и воды, а не чистый водород (в большинстве случаев). В-третьих, КПД цикла ну очень невелик. В-четвертых, катализатор в большинстве существующих элементов быстро разрушается.

Выход из положения

исследователи из Колорадской горной школы. Они изучили возможности обратимых протонно-керамических электрохимических элементов. При выработке энергии они весьма эффективны, плюс они не нуждаются в очень уж высокой температуре — достаточно источников отработанного тепла от промышленных процессов или традиционного производства электроэнергии.

Ученые усовершенствовали технологию, предложив в качестве материала для электродов Ba/Ce/Zr/Y/Yb и Ba/Co/Zr/Y. Для их работы нужна температура в 500 градусов Цельсия, что не проблема, плюс в производство вовлекается около 97% энергии, которая была подведена к системе. При этом ячейки работают на воде или воде и углекислом газе. Вырабатывают они водород, в первом случае, или метан, во втором.

КПД системы составляет около 75%. Не так хорошо, как у батарей, но для большинства целей и этого вполне достаточно. При этом электроды не разрушаются. После 1200 часов испытаний оказалось, что материал практически не деградировал.

Правда, остается еще одна проблема — дороговизна исходных материалов, которые используются для создания электродов. Тот же иттербий стоит примерно $14 000 за килограмм, так что создание действительно значительных по размеру топливных элементов может оказаться весьма дорогим удовольствием.

Но, возможно, разработчики смогут решить и эту проблему — во всяком случае, работа в этом направлении уже ведется.

топливных элементов | Министерство энергетики

Топливный элемент использует химическую энергию водорода или другого топлива для экологически чистого и эффективного производства электроэнергии. Если водород является топливом, единственными продуктами являются электричество, вода и тепло. Топливные элементы уникальны с точки зрения разнообразия их потенциальных применений; они могут использовать широкий спектр топлива и сырья и могут обеспечивать электроэнергией системы величиной, как коммунальная электростанция, и такими маленькими, как портативный компьютер.

Зачем изучать топливные элементы

Топливные элементы могут использоваться в широком диапазоне приложений, обеспечивая электроэнергию для приложений в различных секторах, включая транспорт, промышленные / коммерческие / жилые здания и долгосрочное хранение энергии для сети в обратимых системах.

Топливные элементы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными технологиями сжигания, которые в настоящее время используются на многих электростанциях и транспортных средствах. Топливные элементы могут работать с более высоким КПД, чем двигатели внутреннего сгорания, и могут преобразовывать химическую энергию топлива непосредственно в электрическую с КПД, превышающим 60%. Топливные элементы имеют более низкие или нулевые выбросы по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Водородные топливные элементы выделяют только воду, решая критические проблемы климата, поскольку нет выбросов углекислого газа.Также отсутствуют загрязнители воздуха, которые создают смог и вызывают проблемы со здоровьем во время работы. Топливные элементы работают бесшумно, поскольку в них мало 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. Узнать больше о:

Посмотрите анимацию топливных элементов Управления по технологиям производства водорода и топливных элементов, чтобы увидеть, 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.

• Стоимость —Исследования, разработка и демонстрация (НИОКР) сосредоточены на разработке недорогих батарей топливных элементов и балансе компонентов установки (BOP), а также передовых подходов к крупносерийному производству для снижения общей стоимости системы.Платина представляет собой один из самых дорогостоящих компонентов топливного элемента с мембраной из полимерного электролита, работающего на прямом водороде, поэтому особое внимание уделяется подходам, которые повысят активность и использование, а также уменьшат содержание нынешних катализаторов из металлов платиновой группы (МПГ) и сплавов МПГ, поскольку а также подходы к использованию катализаторов без МПГ для долгосрочного применения.
• Производительность — Для повышения эффективности и производительности топливных элементов компания RD&D фокусируется на инновационных материалах и стратегиях интеграции.Усилия включают разработку ионообменных мембранных электролитов с повышенной эффективностью и долговечностью при меньших затратах; улучшение мембранных электродных сборок (МЭБ) с высокой удельной мощностью за счет интеграции современных компонентов МЭБ; моделирование для понимания конструкции системы и условий эксплуатации; и разработка стеков с высокой эффективностью при номинальной мощности и высокопроизводительных компонентов противовыбросового превентора, таких как компоненты управления воздухом с низкими паразитными потерями.
• Долговечность — Применения топливных элементов обычно требуют надлежащей работы для поддержания в течение длительного периода времени.Министерство энергетики поставило конечные цели по сроку службы топливных элементов в реальных условиях эксплуатации: 8 000 часов для легковых автомобилей, 30 000 часов для тяжелых грузовиков и 80 000 часов для распределенных энергосистем. В наиболее требовательных приложениях надежность и устойчивость системы требуются в динамических и суровых условиях эксплуатации. Реалистичные рабочие условия включают запуск и останов, замораживание и оттаивание, примеси в топливе и воздухе, а также влажность и циклы динамической нагрузки, которые приводят к нагрузкам на химическую и механическую стабильность материалов и компонентов системы топливных элементов.НИОКР сосредоточены на выявлении и понимании механизмов деградации топливных элементов, а также на разработке материалов и стратегий для смягчения их последствий.

Технические мишени

Загрузите раздел «Топливные элементы» Многолетнего плана исследований, разработок и демонстраций Управления технологий водородных и топливных элементов для получения полной информации о технических задачах. Основное обновление этого документа находится в стадии разработки.

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 обеспечивают каналы для газообразное топливо и воздух.

Узел мембранного электрода

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

Мембрана с полимерным электролитом или PEM (также называемая протонообменной мембраной) — специально обработанный материал, который выглядит как обычная кухонная пластиковая пленка — 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 добавлен 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.

GDL находятся 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 удержанием воды (необходимо для поддержания проводимости мембраны) и высвобождением воды (необходимо, чтобы поры оставались открытыми, чтобы водород и кислород могли диффундировать в электроды).

Оборудование

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

Биполярные пластины

Каждый индивидуальный MEA вырабатывает менее 1 В в типичных условиях эксплуатации, 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 должны быть добавлены 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 можно найти несколько основных компонентов:

Стек топливных элементов

Блок топливных элементов — это сердце энергетической системы топливных элементов. Он генерирует электричество в виде постоянного тока (DC) в результате электрохимических реакций, происходящих в топливном элементе.Один топливный элемент вырабатывает менее 1 В, 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, пригодную для использования в топливных элементах.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 приводится в действие обычным топливом, обогащенным водородом, таким как метанол, бензин, дизельное топливо или газифицированный уголь, установка риформинга обычно используется для преобразования углеводородов в газовую смесь водорода и углеродных соединений, называемую «продукт риформинга». 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 расплавленным карбонатом и твердым оксидом, 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 углекислый газ, но из-за высокой эффективности топливных элементов выделяется меньше углекислого газа, чем двигателями внутреннего сгорания, такими как те, которые используются в транспортных средствах с бензиновым двигателем.

Кондиционеры питания

Регулирование 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. Электроэнергия 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.

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 Clarity Fuel Cell в Калифорнии — она ​​предлагает в аренду или продажу гибридные версии автомобиля, работающие от аккумуляторной батареи.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 Reuters:« 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 токийском автосалоне 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 взглядов 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, включая 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. началось в 2013 году и расширилось 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.

«Учитывая постоянно растущую долю 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 батареи 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, транспортные средства 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 происходит пожар автомобиля 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 в среднем имеют 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 набрать критическую массу», — сказал Шейн Стивенс, главный и главный разработчик. 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 самоокупаемыми ».

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

[МЕНЯЮЩИЙСЯ МИР] Водород — это топливо будущего, если не считать нескольких мелких проблем

Перевозчик жидкого водорода, разрабатываемый Hyundai Mipo Dockyards, Korea Shipbuilding & Offshore Engineering и другими. [HYUNDAI HEAVY INDUSTRIES]

━

ЭКОНОМИКА ВОДОРОДА

Сталелитейный завод Posco в Пхохане, Северный Кёнсан, где производится побочный продукт водорода. [POSCO]

━

Серый, синий и зеленый

Резервуар Cimarron Type 4 для хранения и транспортировки водорода. Hanwha Solutions приобрела Cimarron в прошлом году.

━

Хранение и транспортировка

Резервуар для водорода Lotte Chemical [LOTTE CHEMICAL]

━

Аммиак может быть ответом

Электростанция на водородных топливных элементах Hanwha Energy и Doosan Fuel Cell в Сосане, Южный Чхунчхон [DOOSAN FUEL CELL]

━

Освещение города

, FCEV приходят на ум в первую очередь.

Но есть еще одна область, где водород находит хорошее применение: электростанции на топливных элементах.

Без выбросов загрязняющих веществ электростанции, использующие системы водородных топливных элементов, обеспечивают электричеством близлежащий регион экологически чистым способом. Он также стабилен из-за обилия элемента.

Корея впереди в этой области, поскольку страна построила первую в мире электростанцию ​​на водородных топливных элементах, использующую побочный продукт водорода.

Hanwha Energy, Doosan Fuel Cell и другие в прошлом году объединили свои усилия для строительства электростанции мощностью 50 мегаватт в Сосане, Южный Чхунчхон.

Doosan Fuel Cell поставляет 114 систем топливных элементов мощностью 440 киловатт, изготовленных по собственной технологии.

Электростанция, коммерческая эксплуатация которой началась в июне 2020 года, способна ежегодно обеспечивать 40 000 мегаватт-часов электроэнергии примерно 160 000 домохозяйств в Южном Чхунчхоне.

Тепло, вырабатываемое при производстве электроэнергии, служит для обогрева домашних хозяйств.

В нем используется водород, полученный в качестве побочного продукта на близлежащем нефтехимическом заводе.

Водород, используемый для электростанции, является побочным продуктом химического производственного процесса на нефтехимическом заводе, расположенном в 2 км. Побочный водород транспортируется на электростанцию ​​по подземному трубопроводу.

Одно из преимуществ электростанций, использующих системы водородных топливных элементов, заключается в том, что их электрическая мощность является гибкой в ​​зависимости от использования.

Аварийная электростанция на топливных элементах Hyundai Mobis в Чхунджу, Южный Чхунчхон, является одним из примеров.Его электрическая мощность составляет 450 киловатт, чего достаточно, чтобы пережить кратковременную аварийную ситуацию на заводе.

«Эта электростанция может вырабатывать электричество, эквивалентное 7 или 8 процентам электроэнергии, необходимой для завода в Чхунджу», — сказал представитель Hyundai Mobis.

Hyundai Motor также построила электростанцию, использующую систему топливных элементов Nexo, которая способна вырабатывать 10 000 мегаватт электроэнергии в Ульсане. Эта электростанция, снабжаемая побочным водородом с близлежащего нефтехимического завода, способна обеспечить электроэнергией около 2200 домашних хозяйств.

«Когда делается вывод о том, что потребуется больше электричества, мы можем изменить его, добавив к нему больше систем топливных элементов. По сравнению с генераторами, использующими дизельное топливо, он не производит выбросов и работает намного тише», — Hyundai Mobis пресс-секретарь сказал.

Концептуальная модель Trailer Drone Hyundai Motor, работающая на водороде [HYUNDAI MOTOR]

━

Мобильность: с автомобилей на трамваи

Внедорожник Hyundai Motor Nexo, FCEV [HYUNDAI MOTOR]

Трамвай на топливных элементах, разработанный Hyundai Rotem [HYUNDAI ROTEM]

ДЖИН ЕУН-СУ, САРА ЧЕА [[email protected]]

Внедрение водорода создаст« много-много рабочих мест »в США.

В течение 25 лет Plug Power ( PLUG) незаметно подтолкнула США к технологии водородных топливных элементов.

Теперь ее звезды начинают выстраиваться в ряд.

Компания, производящая водородное топливо, объявила о ряде новых партнерских отношений и крупном приобретении на своем ежегодном симпозиуме в четверг. импульс глобального толчка для ускорения внедрения чистой энергии.

Движущей силой инициативы является более крупный толчок компании по производству 500 тонн жидкого зеленого водорода в США к 2025 году и созданию 13 заводов по производству зеленого водорода к концу 2025 года.

«Мы используем больше водорода, чем кто-либо другой. в мире для перевозки. И это действительно просто расширение нашего видения », — сказал в четверг Yahoo Finance Live генеральный директор Plug Power Энди Марш.

Это видение включает использование водорода для двигателей самолетов и транспортных средств. Компания объявила о партнерстве с Airbus накануне симпозиума для изучения использования так называемого зеленого водорода, производимого из возобновляемых источников энергии, в аэропортах и ​​самолетах.Марш сказал, что компания будет стремиться заправить топливом по крайней мере один аэропорт, используя свою технологию топливных элементов в «ближайшие годы», хотя он признал, что широкомасштабное использование в самолетах все еще является долгосрочным.

Airbus ранее поставил цель вывести на рынок самолеты с нулевым уровнем выбросов к 2035 году.

Энди Марш, президент и генеральный директор Plug Power, нью-йоркской компании, производящей топливные элементы для жилых и коммерческих помещений, выступает на собрании акционеров в г. Нью-Йорк. (Фото Джеймса Лейнса / Corbis через Getty Images)

Plug Power уже работает с лос-анджелесским стартапом Universal Hydrogen над переводом региональных самолетов на экологически чистую энергию.Марш сказал, что к концу следующего года он планирует провести испытательные полеты.

История продолжается

«Мы переоборудовали самолеты de Havilland в четыре региональных самолета, работающие на водороде. Итак, это можно сделать », — сказал Марш. «Цикл для самолетов не за один день, но Universal Hydrogen разработала действительно крутой комплект для переоборудования, который действительно начнет путь к созданию самолетов на водороде, поэтому мы очень взволнованы».

Ключевой ингредиент для мира с нулевым выбросом углерода

Ожидается, что водород будет играть ключевую роль в переходе к будущему с нулевым выбросом углерода, поскольку страны стремятся сократить выбросы вредных парниковых газов, чтобы предотвратить наихудшие последствия изменения климата.Зеленый водород особенно перспективен, потому что он производится с помощью возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер. Но масштабы и стоимость топлива замедлили его внедрение. Марш сказал, что затраты на возобновляемую электроэнергию должны быть в пределах трех центов за киловатт-час, чтобы водород был конкурентоспособным с природным газом. Электролизеры, которые отделяют водород от воды, также должны быть развернуты в большем масштабе, чтобы снизить цены.

«Мы обнаружили, что каждый раз, когда вы удваиваете количество единиц в полевых условиях, затраты снижаются на 25%, и мы планируем развернуть более 40 гигаватт к 2030 году», — сказал Марш.«По мере того, как эта технология становится все более зрелой, как солнечная и ветровая, вы увидите, что стоимость капитала для этих крупных проектов будет снижаться».

Ввиду отсутствия крупномасштабного развертывания технология Plug Power в значительной степени ограничивалась использованием в транспортных средствах.

В четверг компания представила прототип своего фургона на топливных элементах HyVia, разработанного в партнерстве с Renault Group. Он также объявил о приобретении Applied Cryo Technologies (ACT), поставщика технологий и оборудования для транспортировки и распределения сжиженного водорода.

Plug Power также установила долгосрочный прогноз годового объема продаж в 3 миллиарда долларов к 2025 году, при этом только в следующем году ожидается рост на 65%.

Он может получить дополнительную помощь от Конгресса. Предлагаемый двухпартийный законопроект об инфраструктуре требует инвестиций в размере 8 миллиардов долларов для создания как минимум четырех региональных центров по производству чистого водорода. Он также выделяет 1 миллиард долларов в виде грантов на улучшение электролизеров с точки зрения эффективности и стоимости.

«Это очень, очень конкурентоспособно. Подобные счета и продление инвестиционного налогового кредита, как в случае солнечной и ветровой энергии, также действительно помогут ускорить этот рынок для США.С. и создать много-много рабочих мест в этой стране », — сказал Марш.

Акико Фудзита — ведущий и репортер Yahoo Finance. Подпишитесь на нее в Twitter @AkikoFujita

Подпишитесь на Yahoo Finance на Twitter , Facebook , Instagram , Flipboard Flipboard YouTube и reddit

Почему 3 автопроизводителя все еще рекламируют автомобили на водородных топливных элементах?

Изначально размещено на EVANNEX.
Чарльз Моррис

Несмотря на то, что вы можете прочитать в основных средствах массовой информации, когда дело доходит до выбора между силовыми агрегатами с аккумуляторной батареей или водородным топливным элементом, наука довольно ясна: водородные топливные элементы могут быть предпочтительной технологией для некоторых промышленных процессов, и / или для сегментов транспорта, которые сложно электрифицировать, таких как морские перевозки и авиация, но они не подходят для легковых автомобилей. В качестве носителя для хранения энергии H ₂ намного менее эффективен, чем батареи (22% от скважины до колес по сравнению с 73%, согласно одному анализу), и для его доставки потребуется построить обширную новую инфраструктуру.Преимущества транспортных средств на топливных элементах — больший запас хода и быстрое время заправки — быстро теряются за счет совершенствования аккумуляторов и технологий зарядки.

Toyota Mirai водородный топливный элемент EV. Фото Кайла Филда / CleanTechnica.

Изюминкой фруктового мороженого является то, что подавляющее большинство производимого в настоящее время водорода представляет собой «серый» водород, который производится из ископаемого топлива и генерирует значительные выбросы углерода.

За заметным исключением Toyota, Hyundai и BMW, большинство автопроизводителей отказались от топливных элементов для легковых автомобилей: Honda отказалась от этого в 2019 году, а GM и Mercedes-Benz отказались от этого в 2020 году (Daimler продолжает разрабатывать топливные элементы для тяжелых грузовиков). — служебные автомобили).Кроме того, в 2020 году Volkswagen выпустил статью, в которой подробно объясняется, почему батареи являются лучшим выбором. Позже в 2020 году VW решительно отверг призыв одной торговой группы к увеличению количества водородных автомобилей и грузовиков, назвав это «бессмысленным».

«Водородный автомобиль требует энергии от ветряных мельниц в три или четыре раза больше, чем электромобиль на такое же расстояние, поэтому проехать такое же расстояние в три-четыре раза дороже», — сказал генеральный директор VW Group Герберт Дисс. «Вот почему все больше и больше производителей отказываются от топливных элементов.”

Итак, почему несколько автопроизводителей все еще тратят деньги в водородную дыру? Как объясняет Ник Кэри в Reuters, : «Они хеджируют свои ставки, рассчитывая, что изменение политических ветров может сместить баланс в сторону водорода».

Большая часть ажиотажа в отношении водорода исходит от компаний, занимающихся ископаемым топливом, и их голоса громко и ясно слышны в залах политической власти. Pols в Германии и Великобритании уже вложили значительные средства в водородные технологии, и план президента Байдена по инфраструктуре также включает финансирование легкого газа.Для политиков всех политических взглядов водород может показаться привлекательным компромиссом — способом сохранить поток нефти и газа (и деньги кампании), создавая впечатление, будто они предпринимают шаги по сокращению выбросов углерода.

Автопроизводители не хуже других знают, как часто политика и / или мода могут побеждать науку, и у них есть долгая история сохранения всех технологических возможностей в своих «скунсовых работах».

BMW разработала прототип водородного автомобиля на базе своего внедорожника X5, проект частично финансируется правительством Германии.Автопроизводитель планирует построить испытательный парк из 100 автомобилей в 2022 году и может представить модель, готовую к выпуску на рынок к 2030 году.

«Независимо от того, руководствуется ли эта (технология) политикой или спросом, мы будем готовы с продуктом», — сказал Reuters вице-президент BMW Юрген Гульднер, возглавляющий программу компании по производству автомобилей на топливных элементах.

Другие автопроизводители, которые в целом отказались от водорода, оставляют свои возможности открытыми. Представитель Audi, члена группы Volkswagen, не склонной к водороду, сообщил агентству Reuters, что имеет команду из 100 инженеров, работающих над топливными элементами, и построил несколько прототипов автомобилей.Источник из Mercedes сообщил Reuters , что компания может легко возродить свой отложенный GLC F-CELL, внедорожник на топливных элементах, если Европейская комиссия или будущее правительство Германии увеличат поддержку водородных автомобилей.

Между тем, в Китае несколько автопроизводителей работают над автомобилями на топливных элементах, в том числе Great Wall Motor, которая планирует разработать внедорожники с водородным двигателем, согласно Reuters .

К счастью (или, к сожалению, если вы являетесь частью толпы «водород идет вперед»), достижения автопроизводителей в области топливных элементов довольно скромны по сравнению с их стремлением к подключаемым модулям.BMW Group занимает пятое место в мире по объемам продаж электромобилей, а Hyundai — седьмое место (по данным EV-Volumes). Даже отступившая Toyota продает гораздо больше подключаемых силовых агрегатов, чем топливных элементов, а ее инженеры спокойно работают над рядом проектов электромобилей.

Гулднер из BMW признает, что топливные элементы в настоящее время слишком дороги, чтобы их можно было использовать для потребительских автомобилей. Он сообщает Reuters , что водородные автомобили будут «дополнением» к аккумуляторно-электрическим моделям BMW.