Сравнение систем электропитания на водородных топливных элементах и ​​водородных двигателей внутреннего сгорания

Основной принцип водородные топливные элементы заключается в преобразовании химической энергии, содержащейся в топливе, в электрическую энергию посредством электрохимических реакций. Принцип работы водородного топливного элемента заключается в расщеплении водорода на электроны и ионы водорода (протоны) катализатором (платиной) в аноде топливного элемента. Протоны проходят через протонообменную мембрану к катоду, где они реагируют с кислородом, образуя воду и тепло. Соответствующие электроны текут от анода к катоду через внешнюю цепь, генерируя электрическую энергию. Структура стопок водородных топливных элементов в основном состоит из биполярных пластин, мембранных электродов (протонообменная мембрана, покрытая слоем катализатора), газодиффузионных слоев, изоляционных пластин и т. д. Затем, на основе стопки, дополнительные системы, такие как воздушная система, водородная система, электронная и электрическая система и система управления водно-тепловым режимом, интегрируются для формирования энергетической системы водородного топливного элемента, которая по сути является двигателем на водородном топливном элементе.

Двигатели внутреннего сгорания на водороде получают энергию за счет сжигания водорода, и этот тип двигателя, как и двигатели на обычном топливе, работает на четырех тактах: впуск, сжатие, мощность и выпуск, при этом водород заменяет обычное топливо. Если взять в качестве примера двигатель Cummins, то структура двигателя внутреннего сгорания на водороде по сути аналогична структуре двигателя на природном газе, который включает такие компоненты, как блок цилиндров, коленчатый вал, головка цилиндра, система зажигания и монтажные детали; детали двигателей внутреннего сгорания на водороде и дизельных двигателей также частично взаимозаменяемы, такие как блоки цилиндров, коленчатые валы, опоры, кожухи маховика и другие монтажные детали. Высокая степень сходства и взаимозаменяемости этих компонентов позволяет использовать экономические преимущества двигателей внутреннего сгорания на водороде Cummins, повышать надежность оборудования и оказывать решающую поддержку в переходе отрасли на низкоуглеродные методы.

Сходство между ними заключается в том, что для участия в реакции требуется водород и кислород; Требуются все топливные хранилища и резервуары для хранения водорода; может питать транспортное средство. Разница в том, что эти два типа генерируют энергию разными способами, что также приводит к существенной разнице в эффективности, поэтому транспортные средства на топливных элементах будут иметь больший пробег при том же потреблении водорода; Способ построения двигателей также совершенно разный; Топливные элементы более экологичны, чем двигатели внутреннего сгорания. Кроме того, нет никакой разницы в скорости высвобождения энергии, и как двигатели внутреннего сгорания, так и топливные элементы могут достигать кратковременной высокой выходной мощности.
По сравнению с двумя маршрутами, преимущества водородные топливные элементы являются высокая эффективность преобразования, низкий уровень выбросов загрязняющих веществ и высокая степень коммерческого применения, особенно с точки зрения эффективности преобразования, тепловой КПД двигателей на водородном топливе трудно превысить 45%, в то время как эффективность преобразования водородных топливных элементов может достигать более 60%.
Преимуществами двигателей на водородном топливе являются низкая стоимость (около 10% от топливных элементов), низкие требования к чистоте водорода и возможность модернизации существующих топливных двигателей. Кроме того, водородные двигатели внутреннего сгорания больше подходят для использования в коммерческих транспортных средствах, таких как средне- и крупнотоннажные грузовики, из-за их более высокой выходной эффективности в условиях высокой нагрузки.