Технологии

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

Фото iStock

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.

13
Haha
Haha
3
1
Love
Love
1
2
4
Читать также
Пластиковые полимерные гранулы

Московские ученые превратили бытовой пластик в сырье для топлива и нефтехимии

1 мин. чтения
Лаборант работает над улучшением покрытия для ТОТЭ

В Новосибирске нашли способ продлить жизнь твердооксидным топливным элементам

3 мин. чтения

В Красноярске вырастили «бамбуковые» трубки, чтобы генерировать больше водорода

1 мин. чтения

В Новосибирске собрали мощный топливный элемент размером меньше шариковой ручки

1 мин. чтения

Фестиваль энергетики, идей и изобретений: как «ЭнергоТехноФест» познакомил изобретателей с инвесторами

1 мин. чтения

Московские ученые «соткали» сверхтонкий материал для энергоемких аккумуляторов

1 мин. чтения

В Новочеркасске из яблочного жмыха создали материал для суперконденсаторов

1 мин. чтения

Московские ученые изобрели энергоустановку для многомесячных полетов аэростатов

1 мин. чтения

В Екатеринбурге впервые показали российский гибридный двигатель для аэротакси

1 мин. чтения

Крупнейшую в мире натрийионную станцию накопления энергии подключили к сети

1 мин. чтения