Технологии

Как работает водородный топливный элемент и почему автомобили с таким «двигателем» еще не ездят по всему миру

Слушать аудиоверсию 04:20
Фото iStock
Кирилл Дегтярев, кандидат географических наук, научный сотрудник в научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии, географический факультет МГУ

Автор

Кирилл Дегтярев, кандидат географических наук, научный сотрудник в научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии, географический факультет МГУ

Опубликовано

14 июля 2023

Опубликовано

14 июля 2023

В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) углеводородное топливо сгорает (окисляется), в результате чего выделяется тепловая энергия. Она и приводит в движение механизмы автомобиля. Сжигать в ДВС можно и водород, коэффициент полезного действия (КПД) составит 30–40%, как и при использовании бензина, метана или дизельного топлива, но стоить это будет намного дороже. Водородомобили устроены по-другому: энергия вырабатывается не в двигателе, а в топливном элементе. Выясним, что это такое и как он работает.

Элемент для элемента

Водород — первый элемент периодической системы Менделеева, самый простой, легкий и распространенный в мире. Его атом состоит из одной положительно заряженной частицы — протона, вокруг которого вращается отрицательно заряженный электрон. Молекула обычно включает два атома. На водород приходится 88% всех атомов видимой части Вселенной и более 70% ее объема.

В природе водород встречается в основном в связанном виде — в составе воды и углеводородов. Перед использованием его нужно «оторвать» от других химических элементов, и энергии на это уходит много. Когда чистый водород все-таки выделяют, его можно использовать в топливном элементе.

Химическая лаборатория под капотом

В водородном топливном элементе химическая энергия атомов водорода превращается в электрическую. Топливный элемент представляет собой два электрода (анод и катод), разделенных мембраной. Водород реагирует с катализатором (обычно это напыленная на анод платина) и выгоняет свой электрон за пределы атома. «Осиротевшие» электроны притягиваются к аноду, превращаясь в электрический ток. Он-то и поступает к двигателю автомобиля, приводя механизмы в движение.

Схема водородного топливного элемента: 1 — анод, 2 — мембрана, 3 — катод.

Молекулы водорода, оставшиеся без электронов, превращаются в положительно заряженные ионы. В отличие от электрически нейтральных атомов такие частицы могут преодолеть мембрану и постепенно перетекают в сторону катода. Туда же одновременно поступают молекулы кислорода из наружного воздуха и возвращаются из внешней электрической цепи с двигателем «блудные дети» — электроны, выгнанные из атомов водорода.

Под действием электрического тока ионы водорода соединяются с кислородом. Образуется вода и выделяется тепло — единственные побочные продукты работы водородного элемента.

КПД топливного элемента — более 60%, а в перспективе может вырасти до 80%. Устройство работает бесшумно и нагревается максимум до 1000 градусов.

Пока сложно и дорого

Если поставить такой генератор под капот машины, получится водородомобиль — разновидность электромобиля, который не нуждается в аккумуляторе и зарядке от сети. Водород находится в топливном баке в сжатом виде под давлением 400 атмосфер.

Водородомобили, которые производят сегодня, расходуют в среднем 0,8–1 килограмм водорода на 100 километров пути. С энергетической точки зрения это эквивалентно примерно шести литрам бензина. В России водородных АЗС (как и производства водородомобилей) пока нет, но на заграничных станциях цена одного килограмма водорода стартует с 800–1000 рублей

В наши дни водородомобили производят и разрабатывают известные автоконцерны Японии, США, Республики Корея, Германии и других стран. Созданы водородные автобусы и поезда, в процессе разработки водородный самолет. Все это появилось не сегодня и даже не вчера: первый серийный водородомобиль начали выпускать 10 лет назад. При этом из-за сложности получения, транспортировки и хранения водорода, а также малого числа АЗС водородомобили пока обходятся владельцам слишком дорого, а серийное производство таких машин так и остается представленным всего несколькими моделями.

16
Haha
Haha
3
1
Love
Love
1
3
5
Читать также
Мальчик возле телескопа представляет фантастический космос вблизи. Изображение сгенерировано нейросетью

Параллельные вселенные и варп-двигатели: тест на знание научной фантастики

1 мин. чтения
Водород в наносферах

В России создали рекордно вместительную «упаковку» для безопасного хранения водорода

2 мин. чтения
Исследование бактерий в чашке Петри

Московские ученые втрое увеличили выход метана из пищевых отходов

2 мин. чтения
Ракета в космосе

В «Росатоме» построили электродвигатель для освоения дальнего космоса

2 мин. чтения
Специалистка лаборатории изучает растительное сырье для создания

Томские ученые вдвое ускорили производство биотоплива за счет нового реактора

1 мин. чтения
Черное солнце в образе кинозвезды на красной ковровой дорожке

Почему самые черные тела выглядят ослепительно белыми и какого цвета Солнце на самом деле

3 мин. чтения
Китайский ученый изучает получение биотоплива из растений под действием

В Китае улучшили катализаторы для получения биотоплива из растений под действием света

1 мин. чтения
Бестопливный генератор

В Москве создали бестопливный генератор, вырабатывающий электричество за счет холодной воды

1 мин. чтения
Девушка лаборант с пробиркой в руках

В Казани улучшили топливные элементы с помощью крахмала

1 мин. чтения
Система охлаждения аккумулятора

Китайские ученые разработали экономичную систему охлаждения аккумуляторов

1 мин. чтения
X 1