ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ

Донсков А.В.¹, Попов А.В.²

¹Студент; ²Асистент, Волжский политехнический институт (филиал) ВолгГТУ

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ

Рассмотрены современные проблемы применимости водородных топливных элементов на транспорте.

Топливные элементы, водород, транспорт.

Donskov A.V.¹, , Popov A.V.²

¹Student,  ²Assistant,

Volzhsky Polytechnical Institute (branch) VSTU

THE USE OF HYDROGEN FUEL CELLS FOR ROAD TRANSPORT

Modern problems of applicability of fuel cells in transport.

Fuel cells, hydrogen, transport.

За последние 50-60 лет по оценкам экспертов выбросы CO₂ в атмосферу возросли, в 4-5раз и составляют величину равную 20 х 10¹² м³/год. Основная проблема заключается в том, что основные имеющиеся на планете источники энергии ограничены. По некоторым подсчетам газа и нефти и хватит не более чем на 100 лет, угля - примерно на 360-400 лет, ядерного топлива – немногим более чем на 1000лет.

Поэтому в последнее время наиболее остро стоит вопрос о переходе к новым источникам энергии, в основе которой должна быть заложена экологическая составляющая. Большие надежды возлагаются на водородную энергетику: использование водорода, как одного из основных видов энергоносителя, а топливных элементов, как генераторов электроэнергии. Такой вид энергетики предполагает резкое сокращение добычи и потребления ископаемых видов топлива.

В отличие от современных нефтяных источников энергии, водород не даёт никаких вредных выбросов в атмосферу и является самым экологически чистым. Поскольку в самих топливных элементах нет движущихся частей, их отличает надёжность, долговечность и простота эксплуатации. КПД топливных элементов уже сейчас составляет 50-70%, что намного больше, чем 10-15% у ДВС. Это очень важные преимущества перед современными двигателями. Рассмотрим принцип работы водородных топливных элементов.

Химические реакции в топливном элементе идут на пористых электродах (аноде и катоде), активированных катализатором (обычно на основе платины или других металлов платиновой группы), по следующей схеме. Водород поступает на анод топливного элемента, где его атомы разлагаются на электроны и протоны:

H2 = 2e- + 2H+

Электроны поступают во внешнюю цепь, создавая электрический ток. Протоны, в свою очередь, проходят сквозь протонообменную мембрану на катодную сторону, где с ними соединяется кислород и электроны из внешней электрической цепи с образованием воды:

4H+ + 4e- + O2 = 2H2O

 

Рисунок 1 – Устройство водородного топливного элемента

Побочными продуктами реакции, таким образом, являются тепло и водяной пар. Напряжение, возникающее при этом на единичном топливном элементе, обычно не превышает 1,1 В. Для получения необходимой величины напряжения,  топливные элементы соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимого тока батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором. Сердцем топливного элемента является протонообменная мембрана. Обычно протонообменная мембрана представляет собой пленку из полимера, сочетающего гидрофобную основную цепь и боковые фрагменты, содержащие кислотные группы (гидрофильная часть).

Если в мембране присутствует вода, она собирается вблизи кислотных групп и образует гидратную область с линейным размером порядка 1 нм. Именно в этой области и образуются различные гидратированные формы протона, способные свободно перемещаться. Гидрофобная же часть полимера содержит алифатические, ароматические, фторированные или нефторированные фрагменты и образует прочный каркас, обеспечивающий механическую прочность мембраны.

Помимо очевидных плюсов, водородные топливные элементы так же имеют и минусы. Первый и самый пока что весомый – стоимость таких элементов. Она связана в первую очередь с использованием дорогих платиновых элементов. Второй минус – это габариты и вес оборудования. Они превышают параметры современных ДВС из-за большего количества необходимых узлов и агрегатов. Третья проблема – отсутствие водородных заправок. Но прогресс не стоит на месте, и появляются решения данных проблем. В скором времени водород сможет заменить привычные нам бензин, дизельное топливо и газ.

Литература

1. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. -  М:Энергоиздат, 1981.-360с.