Водород технологии топливных элементов

Типы технологии водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы вырабатывают электричество посредством электрохимического процесса, в котором кислород и водород соединяются на противоположных сторонах мембраны топливного элемента. Это создает электричество, которое может непосредственно питать электродвигатели или накапливаться в аккумуляторах. Побочным продуктом этого процесса является чистая вода. Различные типы топливных элементов используют различные электролиты, каждый из которых влияет на температуру, эффективность и применение.

Технология топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC) является наиболее широко используемой, с применением в самых разных областях, от транспорта до резервного питания и портативного питания. Она работает при низких температурах, что делает ее подходящей для транспортных средств и приложений, требующих быстрого запуска. Компактный размер и высокая плотность мощности делают ее популярной среди компаний, работающих над интеграцией решений по чистой энергии в существующие отрасли. Используя полимерную электролитную мембрану, молекулы водорода разделяются на протоны и электроны на аноде. Протоны проходят через мембрану, а электроны образуют отдельную цепь для создания электрического тока, который питает двигатель.

Топливный элемент прямого метанола (DMFC) использует жидкое метанольное топливо, которое менее токсично, чем бензин. Он работает при низких температурах, что делает его идеальным для портативных устройств. Однако его низкая эффективность ограничивает его использование в более крупных приложениях, таких как транспортные средства. Топливный элемент с фосфорной кислотой (PAFC) является одной из более зарекомендовавших себя технологий водородных топливных элементов. Он использует фосфорную кислоту в качестве электролита и работает при более высокой температуре, чем DMFC, но ниже, чем топливные элементы с расплавленными карбонатами. Его устойчивость к оксиду углерода делает его хорошим выбором для использования водорода из реформата природного газа в стационарной энергетике, например, в больницах или гостиницах.

Топливные элементы с расплавленными карбонатами (MCFC) работают при высоких температурах и используют расплавленный карбонатный соль в качестве электролита. Их высокая рабочая температура позволяет использовать диоксид углерода в электрохимической реакции, что делает их подходящими для производства водорода из ископаемого топлива. Они в основном используются для стационарной энергетики в крупном масштабе. В твердооксидном топливном элементе (SOFC) твердый керамический электролит проводит ионы кислорода от катода к аноду, вырабатывая электричество. SOFC обеспечивают гибкость конструкции и могут использовать различные виды топлива, включая водород и природный газ. Их высокая эффективность и низкие выбросы делают их подходящими для крупных промышленных применений.

Функция и характеристики водородной технологии топливных элементов

Водородные топливные элементы обладают несколькими ключевыми характеристиками, которые делают их высокоэффективными и устойчивыми источниками энергии. К ним относятся следующие;

• Термостойкость: В некоторых приложениях двигатели на водородной тяге могут сосуществовать с двигателями внутреннего сгорания, которые производят тепло отработавших газов. Современные материалы топливных элементов теперь обеспечивают улучшенную термостойкость.
• Холодостойкость: Протоны могут мигрировать через мембраны топливных элементов при низких температурах, что позволяет использовать водород в суровых климатических условиях. При запуске топливные элементы, подготовленные к работе в холодную погоду, напрямую сжигают водород для получения воды и тепла.
• Электролиз воды: Возобновляемые источники энергии могут использоваться водородными топливными элементами для преобразования воды в водород и кислород, увеличивая поставки водорода. Эта технология способствует снижению стоимости производства водорода и повышению его доступности.
• Фосфорная кислота: Этот простой тип водородного топливного элемента использует фосфорную кислоту в качестве электролита и известен своей исключительной надежностью и долговечностью. PAFC можно использовать для когенерации в коммерческих зданиях, а их электроэнергия также может питать электромобили.
• Транспорт и портативное питание: Приложения для портативных топливных элементов, которые могут заряжать внешние аккумуляторы и электронные устройства, включают ноутбуки, сотовые телефоны и военные комплекты. В автомобилях водородные топливные элементы объединяют водород и кислород для электрохимического производства энергии. Электромобили с топливными элементами (FCEV) производят только воду в качестве побочного продукта этой реакции.
• Рекуперация тепла отходящих газов: В процессе работы водородные электростанции производят тепло в качестве побочного продукта. Это тепло можно использовать для обогрева зданий или промышленных процессов, что снижает потребление энергии и повышает общую эффективность системы.
• Модульная конструкция: Масштабируемые топливные элементы с модульной конструкцией могут обеспечивать различные выходные мощности для гибких и легко интегрируемых приложений. Модульность упрощает техническое обслуживание и сборку, продлевая срок службы основного блока.
• Автоматизированные системы управления: Современные системы оптимизируют работу топливных элементов и автоматизируют процедуры запуска, работы и остановки, повышая безопасность, надежность и эффективность.
• Очистка водорода: Примеси в водородном топливе могут снизить срок службы и эффективность топливных элементов. Системы, очищающие водород, помогают повысить долговечность и производительность двигателей на водородном топливе.

Области применения водородной технологии топливных элементов

Области применения технологии топливных элементов обширны и варьируются от стационарной до портативной генерации электроэнергии. Ниже представлен обзор ключевых областей применения:

• Автомобили на водородных топливных элементах: FCV используют водородные топливные элементы для питания электродвигателей. Крупные автопроизводители работают над производством водородных автомобилей по доступным ценам. Преимущества FCV - нулевые выбросы и более быстрое время заправки. Основные проблемы - ограниченная инфраструктура заправки и стоимость топливных элементов.
• Эффективная выработка электроэнергии: Технология водородных топливных элементов может преобразовывать запасенную энергию в электричество и обеспечивать резервное питание критически важной инфраструктуры во время стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций. Больницы, сети общественного транспорта, военные базы и центры обработки данных используют водородную энергию в качестве резервного источника в случае сбоя электросети.
• Промышленность: На заводах водородные топливные элементы могут питать большие погрузчики, машины для обработки материалов и автоматизированные транспортные средства на их производственных линиях и линиях сборки. Погрузчики на топливных элементах работают более продолжительные смены, чем погрузчики на аккумуляторных батареях, и могут быть заправлены за несколько минут. Водород также служит восстановителем при переработке металлов, таких как железо и сталь.
• Портативное питание: Небольшие водородные топливные элементы могут использоваться в ноутбуках и других электронных гаджетах для выработки электроэнергии, когда литиевые батареи разряжаются. Маленькие топливные элементы в основном предназначены для солдат на поле боя и людей, работающих в отдаленных районах без доступа к электросети.
• Резервное питание: Жилые дома могут использовать водородные топливные элементы в сочетании с солнечными панелями для выработки электроэнергии. Элементы обеспечивают электроснабжение в ночное время, когда солнце не светит. Технология накапливает энергию, производимую в течение дня, в виде водорода. Запасенный водород можно использовать для отопления и приготовления пищи.

Как выбрать водородную технологию топливных элементов

Спрос на водородную технологию топливных элементов на рынке быстро растет. Клиенты сейчас больше заинтересованы в экологически чистых альтернативах в качестве источника энергии. При получении топливных элементов для этого целевого рынка важно учитывать следующие факторы.

• Способы производства водорода: Имейте четкое представление о том, как будет производиться водород, необходимый для этих топливных элементов. Электролизеры могут производить водород, разделяя воду с помощью электричества. Другие способы производства водорода - паровой риформинг биомассы и паровой риформинг метана. Если для производства водорода используются ископаемые виды топлива, то на производственном объекте должна быть технология улавливания углерода для снижения выбросов. Ознакомьтесь с каждым методом производства, чтобы определить его эффективность и возможности снижения выбросов.
• Хранение и транспортировка водорода: Узнайте, как водород будет храниться и транспортироваться от места производства до места потребления. Водород можно хранить в виде сжатого газа, сжиженного криогенным способом или в металлических гидридах. Методы транспортировки включают трубопроводы, полуприцепы с баллонами и бензовозы.
• Применение водородных топливных элементов: Изучите различные области применения водородных топливных элементов и оцените спрос на рынке для каждого применения. Продажи грузовиков и автобусов - это транспортный сектор. Отрасли, занимающиеся обработкой материалов на складах, могут извлечь выгоду из использования погрузчиков на водородных топливных элементах. Резервное питание для объектов, которые часто подвергаются перебоям в электроснабжении, является еще одним основным применением водородных топливных элементов.
• Энергоэффективность: Хороший топливный элемент преобразует значительную часть энергии водорода в полезную мощность. Это важно для снижения общих затрат и делает системы на водородном топливе экономически обоснованными. Обязательно проверьте эффективность работы топливного элемента при разных уровнях мощности.
• Время заправки: Еще один важный фактор, который следует учитывать - это скорость заправки водородных топливных элементов водородом. Водород необходимо закачивать в резервуары транспортных средств и другой техники, работающей на водороде. Транспортные средства и техника, работающие на водороде, должны иметь возможность быстро заправляться, так же как и бензином или дизельным топливом в настоящее время. Это очень важно для транспорта или любых систем, которые должны работать непрерывно.
• Рыночный потенциал: Рассмотрите, где топливные элементы могут оказать положительное влияние на рынок и продажи. Сравнение топливных элементов с другими доступными источниками энергии может подчеркнуть их потенциальные преимущества. Целевыми рынками являются те, где предприятия будут готовы инвестировать в необходимую инфраструктуру.

Вопрос-ответ по водородной технологии топливных элементов

В1: Каков будущий потенциал топливных элементов?

О1: Ожидается, что мировой рынок топливных элементов достигнет 20 миллиардов долларов США к 2030 году, демонстрируя среднегодовой темп роста (CAGR) в 15,2%. Потребность в альтернативных источниках энергии, таких как возобновляемая энергия, и развитие водородной инфраструктуры способствуют росту рынка топливных элементов.

В2: Каковы преимущества топливных элементов?

О2: Топливные элементы имеют ряд преимуществ. Они напрямую преобразуют топливо в электричество, что позволяет им питать все, от крупных электростанций до небольших электронных устройств, а также производят воду в качестве побочного продукта. Топливные элементы могут работать при различных температурах, а их эффективность повышается при использовании тепла для других целей.

В3: Как работают топливные элементы?

О3: Технология водородных топливных элементов требует водорода и кислорода для производства электричества, тепла и воды. Топливные элементы разделяют электроны и протоны от молекул водорода, а затем используют мембрану для перемещения протонов на другую сторону, где присутствует кислород. Электроны движутся по другому пути, создавая электрический ток, который может питать электродвигатели или аккумуляторы.

В4: Какова роль водорода в топливном элементе?

О4: Водород является основным топливом для топливных элементов. Водородное топливо - это чистый источник энергии, который может питать множество применений, от автомобилей и автобусов до резервных генераторов в больницах и крупных электростанциях. Водород обеспечивает энергию для химической реакции в топливном элементе, которая производит электричество.