Водородные топливные элементы принцип работы и устройство: Технология водородных топливных элементов | Knauf Automotive

Технология водородных топливных элементов | Knauf Automotive

инновации, Автомобильные аккумуляторные батареи, Автомобили на водороде

14 декабря 2021

Технология водородных топливных элементов может оказаться самым экономически эффективным вариантом автомобильной энергетики на сегодняшний день. Что такое водородный топливный элемент и как он работает?

Что такое водородный топливный элемент?

В ближайшем будущем водородные топливные элементы могут широко использоваться в автомобилях. Это решение имеет множество преимуществ, и есть много признаков того, что автомобили на водородном топливе будут становиться все более популярными. В то же время важно помнить, что водородные топливные элементы, как и любая другая технология, имеют определенные ограничения. Но сначала стоит узнать, как выглядит система такого типа и как она может обеспечивать энергией двигатель автомобиля.

Функция топливного элемента – независимо от его типа – заключается в выработке электроэнергии за счет окисления подаваемого на него топлива. Работа водородных топливных элементов, однако, полностью отличается от работы гальванических элементов, к которым относятся батареи и аккумуляторы. В отличие от этих типов компонентов, топливные элементы не нуждаются в подзарядке и могут начать работать практически сразу после подачи топлива.

Водородные топливные элементы – наиболее широко используемый вариант. Электроды погружены в электролит и используют водород (на аноде) и кислород (на катоде). Это, помимо прочего, устраняет вредные вещества, образующиеся в процессе сгорания топлива – вместо них в окружающую среду выбрасывается только пар.

См. подробнее: Как уменьшить углеродный след в автомобильном секторе?

Как работает водородный топливный элемент?

Благодаря использованию водорода, процесс сгорания топлива не изменяет химический состав электролитов или электродов. Это еще один важный аспект, касающийся различий между топливными и гальваническими элементами. Батареи основаны на реакциях, которые могут привести к изменению используемых веществ – отсюда необходимость зарядки, которая включает в себя обратные процессы.

Принцип работы водородного топливного элемента довольно прост: водород высвобождает электроны, которые затем реагируют с кислородом для производства электроэнергии, оставляя в качестве побочного продукта реакции только пар. В некоторых элементах вместо чистого водорода используются соединения, содержащие большое количество водорода, такие как метан или метанол – в этих случаях эффективность немного ниже, а в процессе сгорания также образуется небольшое количество углекислого газа.

Области применения водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы находят довольно широкое применение в различных отраслях:

• энергетические технологии – для обеспечения энергией мест, где невозможен свободный доступ к электросети;
• строительство автономных роботов,
• системы аварийного энергоснабжения,
• космические технологии – корабли и зонды,
• автомобильная промышленность.

Последний пункт, в частности, заслуживает внимания. Двигатели на водородных топливных элементах – это решение, которое принимает все большее число производителей автомобилей. Уже есть несколько моделей от ведущих брендов с таким приводом – эффективность водородных топливных элементов довольно высока, что позволяет использовать их даже в автобусах.

См. подробнее: Амортизаторы для автомобильных баков для хранения водорода

Водородные автомобили – технология, инфраструктура и другие факторы, влияющие на их внедрение

Хотя технология как водородных топливных элементов, так и водородных двигателей в настоящее время достаточно развита, мы все еще довольно далеки от широкомасштабного внедрения этого типа технологий. Однако их количество неуклонно растет, а растущая популярность является результатом сочетания нескольких важных факторов. Среди прочего стоит обратить внимание на действующие нормы – Европейский Союз, совместно с другими организациями, в настоящее время уделяет большое внимание экологичности дорожного движения, поддерживает инициативы, связанные с альтернативными видами топлива, и проясняет юридические вопросы, связанные с электромобильностью.

Одним из решающих преимуществ в повседневной эксплуатации водородного автомобиля является широкая доступность этого элемента – его можно найти практически везде, что позволяет свести затраты к минимуму. Один «бак» в новейших водородных автомобилях позволяет проехать даже более 700 км, что является значительным преимуществом перед другими электромобилями.

См. подробнее: Виды электромобилей против развития электромобильности – в чем преимущества автомобилей HEV, PHEV, FCEEV?

Однако в настоящее время серьезным препятствием является отсутствие доступной инфраструктуры для снабжения автомобилей водородом. В Польше первая станция такого типа была создана всего несколько месяцев назад, а во всей Европе их количество оценивается чуть более чем в 200. Однако существует множество проектов, которые предполагают строительство новых водородных заправочных станций в ближайшие годы.

Как заправлять водородный автомобиль?

С точки зрения водителя, процесс заправки выглядит так же, как и в случае с автомобилем, работающим на топливе. Однако есть несколько важных отличий: водород на заправочных станциях обычно измеряется в килограммах, а не в литрах. Кроме того, заправка водородного автомобиля требует тщательного контроля скорости насоса, поскольку слишком быстрая заправка автомобиля может привести к опасно высокой температуре. Время зарядки нового водородного автомобиля на обычной станции составляет около 3 минут.

Цены на водородные автомобили

В настоящее время водородные автомобили довольно дороги – цены на модели, доступные в Польше, составляют около 65 000 евро. Однако с развитием инфраструктуры и ростом популярности альтернативных видов топлива эти цифры будут постепенно снижаться, как и в случае с другими электромобилями. Важную роль здесь могут сыграть правовые нормы Европейского союза и государств-членов – уже сейчас во многих местах водители могут рассчитывать на льготы, связанные с использованием этого типа автомобилей.

Водородные топливные элементы – преимущества и недостатки

Конструкция водородных топливных элементов относительно проста, как и принцип их работы – благодаря этому химическая энергия может быть преобразована в электричество очень быстро и легко. При этом риск возникновения сбоев и неполадок очень низок. Огромным преимуществом использования этого типа топливных элементов является их нейтральное воздействие на окружающую среду. Побочным продуктом сжигания водорода является только пар, в отличие от ряда вредных веществ, образующихся при использовании твердого топлива. Более того, водородный топливный элемент также создает низкий уровень шума. Технология водородных топливных элементов также обеспечивает эффективную работу в течение длительного времени и возможность больших мгновенных перегрузок. Один элемент вырабатывает ток очень низкого напряжения (от 0,5 до 1 В), но они могут быть объединены практически в любом количестве, что обеспечивает значительную масштабируемость и широкое применение.

Недостатком водородных топливных элементов является довольно высокая стоимость материалов, используемых для производства катализаторов. Кроме того, эффективность систем такого типа ниже, чем при хранении энергии в аккумуляторах. Процесс производства водорода также требует определенных затрат энергии. Несмотря на это, считается, что водород имеет значительный потенциал в качестве источника энергии как для автомобилей, так и для стационарных установок. Следует, однако, помнить, что водородные топливные элементы — это технология, которая все еще находится на стадии разработки, но значение компаний в этом секторе постоянно растет.

Современные решения для электромобильности с Knauf

Постоянно развивающаяся технология водородной энергетики становится все более популярной. По этой причине имеет смысл обратиться к решениям, которые будут хорошо работать на этом быстрорастущем рынке. В современных элементах используются компоненты из вспененного EPP, которые обеспечивают эффективную теплоизоляцию в сочетании с защитой от ударов и повреждений. Одним из ведущих производителей таких деталей является компания Knauf Industries, которая также предлагает ряд других инновационных решений для электромобилей.

Как работают водородные топливные элементы

автомобильная промышленность, Зеленая мобильность, Автомобильные аккумуляторные батареи

23 февраля 2021

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.

топливных элементов | Министерство энергетики

Отдел технологий водорода и топливных элементов

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

Зачем изучать топливные элементы

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

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

Как работают топливные элементы

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

• Части топливного элемента
• Системы топливных элементов
• Типы топливных элементов.

Посмотрите анимацию топливных элементов Управления водородных и топливных элементов, чтобы увидеть, как работают топливные элементы.

Цели исследований и разработок

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

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

Технические задачи

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

Основы топливных элементов — Ассоциация топливных элементов и водородной энергетики

Основная информация о технологии топливных элементов и принципах их работы

Просмотрите эти страницы для получения информации о том, как сегодня можно использовать топливные элементы для различных целей:

Топливный элемент — это устройство, которое вырабатывает электричество посредством электрохимической реакции, а не сжигания. В топливном элементе водород и кислород объединяются для выработки электроэнергии, тепла и воды. Топливные элементы сегодня используются в целом ряде приложений, от обеспечения электроэнергией домов и предприятий, поддержания в рабочем состоянии критически важных объектов, таких как больницы, продуктовые магазины и центры обработки данных, и перемещения различных транспортных средств, включая автомобили, автобусы, грузовики, вилочные погрузчики, поезда и многое другое.

Системы топливных элементов — это чистый, эффективный, надежный и бесшумный источник энергии. Топливные элементы не нужно периодически перезаряжать, как батареи, а вместо этого они продолжают производить электричество, пока есть источник топлива.

Топливный элемент состоит из анода, катода и электролитической мембраны. Типичный топливный элемент работает, пропуская водород через анод топливного элемента и кислород через катод. На анодном участке катализатор расщепляет молекулы водорода на электроны и протоны. Протоны проходят через пористую мембрану электролита, а электроны проталкиваются по цепи, генерируя электрический ток и избыточное тепло. На катоде протоны, электроны и кислород объединяются, образуя молекулы воды. Поскольку движущихся частей нет, топливные элементы работают бесшумно и с чрезвычайно высокой надежностью.

Благодаря своему химическому составу топливные элементы очень чистые. Топливные элементы, использующие чистое водородное топливо, полностью не содержат углерода, и их единственными побочными продуктами являются электричество, тепло и вода. Некоторые типы систем топливных элементов могут использовать углеводородное топливо, такое как природный газ, биогаз, метанол и другие. Поскольку топливные элементы генерируют электроэнергию за счет химии, а не сгорания, они могут обеспечить гораздо более высокую эффективность, чем традиционные методы производства энергии, такие как паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания. Чтобы еще больше повысить эффективность, топливный элемент можно соединить с комбинированной системой производства тепла и электроэнергии, которая использует отработанное тепло элемента для обогрева или охлаждения.

Топливные элементы также масштабируются. Это означает, что отдельные топливные элементы могут быть соединены друг с другом в пакеты. В свою очередь, эти стеки можно объединять в более крупные системы. Системы топливных элементов сильно различаются по размеру и мощности: от замены двигателей внутреннего сгорания для электромобилей до крупномасштабных установок мощностью в несколько мегаватт, обеспечивающих электроэнергию непосредственно в коммунальную сеть.

Ниже перечислены некоторые из наиболее часто используемых топливных элементов и характеристики, которые делают их уникальными.

Щелочной топливный элемент (AFC)

AFC наиболее известны своей ролью в миссии НАСА «Аполлон» по обеспечению экипажа водой и электричеством. В этих топливных элементах используются пористые электролиты, насыщенные щелочным раствором, и, как следует из названия, они имеют щелочную мембрану. AFC является одним из наиболее эффективных типов топливных элементов с потенциалом электрического КПД 60% и от 80% до 90% в приложениях ТЭЦ. AFC используют водород в качестве источника топлива, хотя они очень чувствительны и могут выйти из строя при воздействии углекислого газа, поэтому они в основном используются в контролируемых аэрокосмических и подводных приложениях.

Фосфорно-кислотный топливный элемент (PAFC)

В PAFC используется жидкая фосфорная кислота, керамический электролит и платиновый катализатор. Эти топливные элементы физически аналогичны топливным элементам PEM и имеют аналогичный уровень эффективности. Однако PAFC работают при более высокой температуре, что позволяет им работать с небольшим количеством топливных примесей. PAFC обычно используются в режиме когенерации не только для производства электроэнергии, но и для улавливания тепла для обогрева и охлаждения. PAFC часто используются в приложениях с высоким энергопотреблением, таких как больницы, школы, а также производственные и обрабатывающие центры.

Топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC)

Топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC) работает при температурах выше 1200 градусов по Фаренгейту, используя в качестве электролита смесь расплавленного карбоната и соли, взвешенную в керамической матрице. Эта высокая температура позволяет MCFC использовать неплатиновые катализаторы в процессе, называемом «внутренним риформингом», что снижает общую стоимость системы. MCFC также могут использовать природный газ непосредственно в качестве источника топлива, поскольку его высокие температуры позволяют проводить внутреннее преобразование природного газа в водород в самой системе. MCFC могут достигать эффективности 50-60% и 70-80% в приложениях ТЭЦ. Эти топливные элементы обычно используются в стационарных приложениях, обеспечивая высококачественное основное и резервное питание для коммунальных служб и предприятий.

Топливный элемент с протонообменной мембраной

Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC) использует полимерную мембрану в качестве электролита и драгоценный металл, обычно платину, в качестве катализатора. Что отличает эти топливные элементы от других, так это способность PEMFC работать при более низких температурах по сравнению с другими типами топливных элементов, от 80 до 200 градусов по Фаренгейту. Чистый газообразный водород является типичным топливом для PEMFC из-за использования в них драгоценных металлов и более низких рабочих температур.

PEMFC работают с эффективностью от 40% до 60% и способны выдерживать большие и внезапные изменения выходной мощности. PEMFC хорошо подходят для автомобилей и других специальных транспортных средств, таких как вилочные погрузчики, которым необходимо быстро запускаться или разгоняться. Кроме того, PEMFC можно масштабировать в стационарных приложениях для использования в телекоммуникациях, центрах обработки данных и на жилых рынках.

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

ТОТЭ — это самые высокотемпературные топливные элементы, работающие при температуре около 1800 градусов по Фаренгейту. ТОТЭ используют плотный слой керамики в качестве электролита, который при высоких температурах обеспечивает проводимость ионов кислорода. Подобно MCFC, SOFC также используют неплатиновый катализатор с использованием внутреннего риформинга и обычно работают на природном газе.