Вместо сжигания топлива, как в обычных двигателях, водородные топливные элементы работают посредством электрохимического процесса. Для производства электричества атомы водорода ионизируются на одной стороне электролитной мембраны. В то время как протоны проскальзывают, электроны должны пройти долгий путь по внешней цепи, создавая электрический ток при своем движении. Как только электроны достигают другой стороны и соединяются с протонами, водород соединяется с кислородом в воздухе, в результате чего образуется немного тепла и воды в качестве побочных продуктов.
Сверхэффективный водород
На базовом уровне процесс довольно эффективен. В зависимости от типа водородного топливного элемента коэффициент полезного действия имеет тенденцию составлять в среднем около 60 процентов от общего количества энергии, высвобождаемой в описанном выше процессе. Тем не менее, крупномасштабные водородные топливные элементы с расплавленным карбонатом или твердым оксидом в качестве мембраны электролита могут использовать как тепло, так и электричество для дополнительной эффективности, достигая 85 процентов. Между тем, по данным Министерства энергетики США, портативные топливные элементы, такие как мембраны из полимерного электролита (PEM), используемые в автомобилях на топливных элементах, имеют КПД от 50 до 60 процентов.
Хорошо, но как это по сравнению с обычной машиной? Невероятно хорошо. Как ни круто запускать наши автомобили на том, что в основном сводится к контролируемым взрывам и жидким динозаврам, двигатели внутреннего сгорания совсем не эффективны. Не считая времени, проведенного на холостом ходу, потерь энергии на трансмиссии, аэродинамического сопротивления и трения, большинство бензиновых двигателей теряют около 62 процентов своей топливной энергии только на бесполезное тепло.
Проблема производства
Но всегда есть подвох, когда вы возитесь с термодинамикой и энергоэффективностью. В случае с водородом это проблема производства. Водород может быть самым распространенным элементом во Вселенной, но если вы не хотите спуститься на поверхность солнца (принесите холодный напиток и обувь на толстой подошве!), вы нигде не найдете этот элемент бесплатно. Водород здесь, на Земле, всегда с чем-то связан, а это значит, что его нужно извлекать, а это дорогой, трудоемкий и требующий огромного количества энергии процесс.
В настоящее время большая часть нашего водорода производится путем электролиза или выделения его из природного газа в процессе, называемомпаровым риформингом (природный газ также является ископаемым топливом). паровой риформинг - наиболее распространенный метод промышленного производства водорода, он требует много тепла и крайне неэффективен. Водород, полученный путем парового риформинга, на самом деле имеет меньше энергии, чем природный газ, с которого начинается паровой риформинг. Кроме того, в отличие от водородных топливных элементов, этот процесс приводит к загрязнению окружающей среды, поэтому на самом деле более эффективно использовать в качестве топлива сами углеводороды.
Однако надежда есть. Хотя мы до сих пор не нашли жизнеспособного способа получить дешевый водород, дела идут лучше. Стоимость материалов падает, и есть несколько потенциально более простых способов их сбора, таких как использование водорослей, производящих водород, и использование метана со свалок. Водородное будущее может быть в поле зрения или, по крайней мере, в виде точки на горизонте.