Водородный топливный элемент — работа, преимущества и проблемы сохранение энергии будущего

Водородный топливный элемент — данное устройство, разработанное для изменения химической энергии в электрическую. Предполагается, что водородный топливный элемент считается безопасной и чистой альтернативой сжиганию ископаемых видов топлива для питания, например, наших автомобилей, поскольку его отходы, а не большое количество углекислого газа и даже частиц серы, выделяют углекислый газ в меньших количествах и воду.

Основной рабочий механизм подобных топливных элементов состоит в том, что энергия образуется в результате реакции позитивных ионов водорода и окислителя, которым часто считается кислород. В отличии от батарей, водородные топливные детали нуждаются в регулярном источнике кислорода или иного топлива для поддерживания химреакции, что значит, что они могут работать постоянно до той поры, пока они снабжены необходимыми веществами.

Источник: Deposit Photos

Водород — наиболее популярный элемент на планете Земля. Атом водорода состоит лишь из одного протона и одного электрона. Хотя он есть во множестве, на Земля он не встречается в виде газа. Вода, к примеру, содержит два атома водорода и один атом кислорода, соединенные вместе. Для деления воды на кислород и водород требуется процесс, именуемый электролизом.

Водородный топливный элемент соединяет водород и кислород для изготовления электричества, тепла и воды. Поскольку водород обладает высокой энергетикой и практически не загрязняет внешнюю среду, он применяется в качестве топлива для выведения космических челноков и ракет на орбиту. Такие элементы питают электрические системы шаттла и делают чистую воду в качестве побочного продукта. Он обеспечивает стабильное напряжение (постоянный ток), которое можно применять для питания двигателей и работы любых электрических приборов.

Пока мы изучаем способы уменьшения цен и укрепления энергонезависимости нашей страны, в качестве потенциального решения появился один важный энергетический источник — водородные топливные детали.

Как работает водородный топливный элемент?

Топливные детали работают как батареи, однако они не разряжаются и не требуют подзарядки. Они делают электричество и тепло до той поры, пока поступает топливо. Для создания химреакции в топливном элементе нужны три главных компонента. Он состоит из 2-ух электродов — негативного электрода (или анода) и позитивного электрода (или катода) и мембраны электролита — анода и катода, окруженных электролитом.

Топливо, к примеру, водород, подается на анод, а воздух подается на катод. Обычный топливный элемент работает путем пропускания водорода через анод топливного элемента при помощи проточных полей, а кислорода — через катод. В водородном топливном элементе катализатор на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые идут всевозможными путями к катоду.

Топливный водородный элемент

Электроны вынуждены проходить через внешнюю цепь, генерируя переменный ток, поток электрической энергии и избыточное тепло. Протоны мигрируют через пористую мембрану электролита к катоду, где они соединяются с кислородом и электронами, возвращающимися из электрической цепи, и делают водяные молекулы, тепло и прочие продукты. Комбинирование кислорода и ионизированного водорода служит базой для химреакции. Поскольку в топливных элементах нет двигающихся частей, они работают очень тихо и с чрезвычайно большой надежностью.

Полимерная мембрана электролита позволяет соответствующим ионам проходить между анодом и катодом. Если бы электролит давал возможность всем электронам или ионам свободно проходить, это нарушило бы хим. реакцию. В конце процесса благоприятно заряженные атомы водорода реагируют с кислородом, образовывая воду и тепло, создавая при этом электрический заряд.

Водородные топливные детали классифицируются по типу электролита, который они применяют, и по разнице во времени запуска — от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (PEM-топливные детали, или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (SOFC). Смежной технологией являются проточные батареи, в которых топливо может быть регенерировано путем подзарядки.

На рынке топлива есть очень много самых разных приложений с разными требованиями к мощности. Чтобы обеспечить необходимую мощность, отдельные топливные детали могут быть собраны вместе, образовывая стек. Штабель топливных элементов может быть рассчитывается на необходимое кол-во энергии для непосредственного использования. Отдельные топливные детали делают практически маленький электрический потенциал, около 0.7 вольт, поэтому детали "складываются" или находятся постепенно для создания напряжения, достаточного для удовлетворения требований приложения.

Водородные топливные элементы Как это сделано

Кроме электрической энергии, топливные детали делают воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, довольно компактное количество диоксида азота и остальных выбросов. Энергоэффективность топливных элементов обычно может составлять от 40 до 60%; но, если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации, результативность достигает 85%.

Плюсы водородных топливных элементов

1. Более хороший

Если сравнивать с обычными способами питания автомобилей и отопления домов, например как применение ископаемых видов топлива, к примеру, угля и газа, водородные топливные детали намного более эффективны. Они делают намного больше энергии это при том количестве элементов, которые применяют.

Это их делает гораздо чище, чем ископаемое топливо, так как для получения того же количества энергии нужно сжечь большее его кол-во и выкинуть в атмосферу больше веществ химии и углекислого газа.

ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ – Водородные топливные элементы плюсы и минусы, принцип работы, эффективность.

2. Водородные топливные детали тихие

Тогда как добыча, перевозка и переработка ископаемого топлива — грязное и шумное дело, водородные топливные детали работают очень тихо. Если сравнивать с двигателями внутреннего сгорания в автомобилях, которые довольно шумные, водородные топливные детали не издают никаких звуков. (Если бы они применялись в автомобилях, то для безопасности пешеходов и животных понадобилось бы добавить искусственные звуки двигателя.)

3. Удаление загрязнения внешней среды

Переходя от сжигания ископаемого топлива для получения энергии к применению водородных топливных элементов, мы практически переходим от одного из очень вредных загрязнителей к источнику энергии, который не вызывает никакого загрязнения. Кроме крошечного количества углекислого газа и воды, при применении водородных топливных элементов нет никаких побочных продуктов или отходов.

4. Никаких экономических сложностей

Ископаемые виды топлива встречаются по всему миру, однако некоторые страны имеют монополию, к примеру, на газ и нефть. Это значит, что они могут договариваться с другими странами о цене ископаемого топлива и даже искусственно завышать цену, что ощущается потребителями по завершению.

С другой стороны, поскольку водородные топливные детали делаются в любой стране и не принадлежат ни одному человеку, компании или стране, они не вызывают подобных глобальных экономических проблем, как ископаемое топливо. Это значит, что страны по всему миру могут быть более самодостаточными и менее зависимыми от других государств, обеспечивая большую энергобезопасность для любого государства, которое решит применять водородные топливные детали.

5. Намного дольше работы

Водородные топливные детали, в основном, работают значительно дольше, чем прочие обыкновенные батареи, применяющие химические вещества для изготовления энергии. Поскольку удвоение рабочего времени водородного топливного элемента означает удвоение количества топлива, а не удвоение емкости устройства (как в случае с батареей), намного легче заставить топливные детали работать в течение намного продолжительного времени без лишних усилий, денег или напряжения.

6. Нет потребности в сетях

Ископаемое топливо распределяется по энергетическим сетям, чтобы гарантировать, что любой, кто нуждается в энергии, получает ее. Водородные топливные детали могут быть независимы от энергосистем, так как их можно применять в любом месте, где есть энергетический источник, а еще источник воды. Это, со своей стороны, означает, что производство топлива при помощи водородных топливных элементов может быть распределено равномерно без надобности в централизованной сети.

Проблемы водородных топливных элементов

К большому сожалению, водородные топливные детали также имеют несколько проблем, которые пока препятствуют их повсеместному выходу на энергетический рынок. Не обращая внимания на приличное количество преимуществ, существуют определенные сложности, которые, кажется, перевешивают эти положительные качества, поэтому разработчики и ученые продолжают настойчиво работать, создавая намного улучшенные, эффектные и безопасные водородные топливные детали, чтобы вскоре они могли стать жизнеспособной альтернативой ископаемому топливу.

1. Может быть очень дорогим

К большому сожалению, благодаря необходимости применения подобных материалов, как платина, при разработке водородных топливных элементов в среднем может быть значительно дороже делать такие элементы, чем бурить, перевозить и перерабатывать ископаемое топливо. Разумеется, на протяжении определенного времени водородные топливные детали по завершению оправдаются за счёт экономии денег, но первоначальные затраты немного выше, чем хочется большинству инвесторов.

2. Не рентабельно для больших компаний

Серьезные компании, несомненно, не собираются вкладывать деньги в развитие водородных топливных элементов. Некоторые из крупных компаний Америки — это те, которые в том или другом качестве имеют дело с ископаемым топливом. В их интересах продолжать раздавать ископаемое топливо и, когда оно начнет кончаться, собирать все больше и денег побольше, поскольку интерес толкает цену вверх, а залежи начинают немного уменьшаться. Водородные топливные детали, которые предлагают меньше денег таким корпорациям, могут рассматриваться как проблема для предпринимателей.

3. Нужны последующие исследования

Исследование других видов топлива все еще находится в процессе. Наука, стоящая за подобными вещами, как водородные топливные детали, все еще относительно молода (даже первая идея водородного топливного элемента была придумана в 1800-х годах), что значит, что многое еще не проверено. Это значит, что энергетический рынок не будет рассматривать водородные топливные детали как жизнеспособную альтернативу главным видам ископаемого топлива и, к примеру, ядерной энергии еще несколько лет.

4. Наименее прочные

В отличии от угля, газа и нефти, водородные топливные детали не отличаются хорошей прочностью. К большому сожалению, из-за тонкой и непростой работы, которую они требуют, они более восприимчивы к внешней среде, что значит, что загрязнение и температура способны сделать их бесполезными. Сейчас это значит, что их нельзя применять в очень жаркую или очень холодную погоду, и если проблема такого рода не будет решена, это по завершению означает, что места, которые часто страдают от сильного холода или жары, не смогут воспользоваться преимуществами этой новой технологии.

5. Вопросы безопасности

Главной идеей внедрения водородных топливных элементов в обычную жизнь пока считается установка их в машины. Технология была разработана если это учесть, и наука отлично работает. Единственной настоящей проблемой считается вопрос безопасности. Водород очень огнеопасен — в большей степени, чем обыкновенное топливо — и его сложнее удержать, чем нефть.

Это значит, что каждый автомобиль, оборудованный водородными топливными элементами, с намного большей вероятностью разразиться или загорится, если подвергнется влиянию сильной жары, поломается или перегреется. Данный вопрос безопасности, понятно, считается большой проблемой для тех, кто надеется внедрить этот новый энергетический источник в собственные машины.