Когда дело доходит до новых источников энергии, ветроэнергетика, гидроэнергетика, солнечная энергия и атомная энергетика хорошо известны, и большинство из них являются фаворитами рынка капитала. Тем не менее, водород, как столь же важный претендент, остается относительно неизвестным и недостаточно заметным. Тем не менее времена меняются. Шанхайская импортная выставка 2021 года в ноябре 2021 года сломала эту привычную закономерность. Японская компания Toyota впервые представила в Китае легковой автомобиль Mirai второго поколения на водородных топливных элементах. Он может похвастаться максимальным запасом хода в 850 километров, превосходя большинство транспортных средств на новых источниках энергии за один ход.
В настоящее время так называемая «автомобиль с водородным двигателем« относится конкретно к автомобилям на водородных топливных элементах. Однако, в отличие от литий-ионных батарей, водородные топливные элементы по сути представляют собой устройства, которые генерируют электрическую энергию посредством химической реакции между водородом и кислородом. Конечным побочным продуктом этой химической реакции является исключительно вода, в отличие от обычного топлива. транспортные средства, которые выделяют такие вещества, как оксиды углерода, оксиды азота и оксиды серы.Поэтому водород считается источником энергии, способным достичь «нулевых выбросов».
В водородных топливных элементах титан играет решающую роль.Биполярные пластины водородных топливных элементов, изготовленные из титана, обладают небольшой толщиной, отличной проводимостью, хорошими тепловыми свойствами, высокой механической прочностью и эффективной газоизоляцией. Эти характеристики помогают повысить удельную мощность ячейки. В японском автомобиле на топливных элементах Toyota MIRAI используются биполярные пластины, изготовленные из титана. Кроме того, в газодиффузионном слое (ГДЛ или ПТЛ), составляющем 17% стоимости электролизера, в качестве основного материала анода используется высокоэффективный промышленный титан, что позволяет достичь максимальной активности.
Основной принцип работы водородных топливных элементов заключается в прохождении водорода через катализатор (платину) на положительном электроде элемента, где он разлагается на электроны и ионы водорода. Ионы водорода затем проходят через протонообменную мембрану и достигают отрицательного электрода, где они вступают в реакцию с кислородом с образованием воды и тепла. Одновременно электроны перетекают от положительного электрода через внешнюю цепь к отрицательному электроду, генерируя электрическую энергию.
Проще говоря, водород и кислород объединяются в топливном элементе, производя электричество и воду. Электричество питает автомобиль, а вода является единственным побочным продуктом, выбрасываемым из автомобиля.
Исходя из этого принципа работы, водородные топливные элементы имеют три основных преимущества:
Во-первых, чистота: Единственным побочным продуктом является вода, что позволяет избежать выбросов углекислого газа.
Во-вторых, безопасность:Электрохимический процесс, приводящий в движение водородные топливные элементы, снижает риск самовозгорания или взрыва, в отличие от систем, основанных на сжигании.
В-третьих, удобство: HГазообразный водород можно сжимать, что облегчает его транспортировку и хранение.
Важно отметить, что топливный элемент в автомобилях с водородным двигателем отличается от обычных химических батарей. Топливный элемент способствует электрохимической реакции между водородом и кислородом без сгорания, производя воду в качестве побочного продукта и выделяя электрическую энергию.
Электрическая энергия в транспортных средствах на водородных топливных элементах генерируется мгновенно за счет реакции между накопленным водородом и кислородом воздуха внутри батареи топливных элементов, в отличие от электромобилей, которые хранят энергию из внешней сети перед ее использованием. Поэтому, несмотря на название «топливный элемент» в водородных транспортных средствах, процесс выделения энергии в них больше похож на двигатели внутреннего сгорания (реакция бензина с внешним кислородом), чем на процесс накопления энергии в электромобилях.
Подобно автомобилям с двигателями внутреннего сгорания, самым дорогим компонентом в автомобиле на водородных топливных элементах является устройство генерации энергии, а не устройство хранения энергии (например, в электромобилях самым дорогостоящим компонентом является аккумулятор, а внутри аккумулятора он анод, катод и электролит). В частности, это блок топливных элементов, а не резервуар для хранения водорода.
Из-за относительно высокой стоимости систем водородных топливных элементов, особенно батареи топливных элементов, на нынешнем этапе затраты на производство водородных автомобилей выше, чем у чистых электромобилей и традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Этот фактор стоимости остается существенным ограничением в развитии автомобильной промышленности на водородных топливных элементах.
