Cum funcționează mașinile cu hidrogen

Vizitatorii se uită la Honda FCX Clarity din cadrul expoziției Auto China 2008 de la Beijing, la 20 aprilie 2008. AP Photo / Oded Balilty

Mașina viitorului este astăzi aici. Desigur, nu puteți cumpăra încă unul; dar dacă locuiești în California, poți închiria unul. Nu folosește benzină și nu poluează aerul. De fapt, produce abur în loc de eșapament. Deci, care este misterul de combustibil? Hidrogenul - elementul cel mai simplu și mai abundent din univers. Și unii oameni cred că în 20-30 de ani, toți vom conduce aceste vehicule cu hidrogen, cu consum de combustibil.

Deși mașinile cu hidrogen au o calitate științifică pentru ele, ideea nu este cu adevărat nouă. De fapt, tehnologia de utilizare a hidrogenului pentru a genera energie a fost încă din prima parte a secolului al XIX-lea - aceasta este mai lungă decât au fost autoturismele. Ce este nou este că s-ar putea să vedeți de fapt o mașină pe bază de hidrogen pe drum, cu aburi ieșind din conducta sa de evacuare în loc de gaze cu mirosuri nefavorabile. Există acum mai multe mașini cu hidrogen, dar majoritatea sunt mașini concept. Aceste mașini de conducere ecologice includ Chevrolet Equinox, BMW 745h și cel care este disponibil în prezent pentru închiriere în California, Honda FCX.

Ceea ce face posibilă o mașină cu hidrogen este un dispozitiv numit a celule de combustibil, care transformă hidrogenul în electricitate, oferind numai căldură și apă ca subproduse. Deoarece este nepoluant, hidrogenul pare un combustibil ideal pentru secolul XXI. Mulți oameni din guvern și din industria auto sunt încântați de potențialul său. Mașinile cu hidrogen au potențial să fie eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil și oferă speranța de a conduce vehiculele ecologice și ecologice. Însă, există încă o mulțime de probleme care trebuie depășite și la întrebările la care trebuie să răspundeți înainte ca hidrogenul să devină combustibilul la alegere pentru suficientă lume pentru a face mult diferența în utilizarea noastră actuală de combustibili fosili. De exemplu, de unde vom obține hidrogenul? Cât de scumpe vor fi achiziționate aceste mașini cu consum redus de combustibil? Veți putea găsi o stație de alimentare cu hidrogen pentru a vă reumple rezervorul? Și, poate cel mai important, ca combustibil, este hidrogenul la fel de nepoluant pe cât pare?

Vom analiza aceste întrebări în paginile care urmează, dar vă putem oferi un răspuns rapid chiar acum: cu excepția cazului în care se întâmplă să trăiți în anumite părți din țară și să aveți buzunarele căptușite cu numerar, nu vă așteptați la o mașină cu hidrogen în intrarea ta în următorul deceniu.

cuprins

1. Celule cu combustibil de hidrogen
2. Producție de mașină de hidrogen
3. Hidrogen Mașini de întârziere

Un autobuz alimentat cu celule de hidrogen pleacă din Centrul de Convenții Connecticut din Hartford, Conn., Pentru o plimbare demonstrativă. AP Photo / Bob Child

În 1839, savantul galez Sir William Robert Grove a preluat procesul electrochimic familiar de electroliză, care utilizează electricitatea pentru a produce hidrogen din apă și a inversat-o, generând electricitate și apă din hidrogen. El și-a numit invenția o baterie voltaică cu gaz, dar astăzi o cunoaștem ca o celulă de combustibil cu hidrogen. Mult mai târziu, la mijlocul secolului XX, tehnologia a fost dezvoltată în continuare de inventatorul Francis Bacon. Tehnologia pe care acești doi inventatori au conceput-o este esențială pentru funcționarea unei mașini cu hidrogen.

Primul sistem practic de celule de combustibil a fost dezvoltat la începutul anilor ’60 de General Electric pentru utilizare în capsule spațiale orbitale. Și apoi, în anii ’90, bateriile de combustibil au început să apară în autobuzele orașului. deci știm că este posibilă alimentarea vehiculelor cu pile de combustibil. Vă puteți gândi la o celulă de combustibil ca un fel de baterie, cu excepția faptului că, în timp ce o baterie își păstrează combustibilul în interiorul ei, o baterie de combustibil trebuie reumplută. Combustibilul pentru o celulă de hidrogen este, după cum sugerează și numele, hidrogen. După cum vă puteți aminti din clasa de chimie din liceu, hidrogenul este cel mai simplu dintre toate elementele. Un atom de hidrogen este format dintr-un singur electron și un singur proton. Celula de combustibil generează energie electrică prin striparea electronilor de la protoni și folosirea electronilor pentru a crea un flux pur de electricitate. Atomii de hidrogen ionizați se combină apoi cu oxigenul pentru a forma apă. Celălalt produs secundar al acestui proces este căldura, astfel încât această apă ia în general forma de abur. Cum este asta pentru o conducere ecologică?

Tipul de celule de combustibil utilizate în mașini este celula de combustibil cu membrană de schimb de polimeri (sau PEM). Celulele cu combustibil PEM au avantajul de a fi ușoare și mici. Ele constau din doi electrozi (un anod încărcat negativ și un catod încărcat pozitiv), un catalizator și o membrană. Hidrogenul este forțat în celula de combustibil la anod sub formă de molecule H2, fiecare conținând doi atomi de hidrogen. Un catalizator la anod sparge moleculele în ioni de hidrogen (protonii) și un flux de electricitate (electronii). Ionii trec prin membrană, dar electricitatea trebuie să meargă. În timp ce face acest lucru, poate fi valorificat să lucreze. La fel cum hidrogenul este forțat în celula de combustibil la anod, oxigenul este forțat la catod. Protonii și electronii se reunesc la catod și se unesc cu oxigenul pentru a forma apă, majoritatea devenind evacuarea celulelor de combustibil. Pilulele de combustibil sunt proiectate să fie plane și subțiri, în principal, astfel încât să poată fi stivuite. Cu cât sunt mai multe pile de combustibil în stivă, cu atât tensiunea de electricitate este mai mare.

Mulți oameni consideră că vehiculele care consumă energie cu hidrogen vor fi cruciale pentru a răspunde cerințelor energetice ale secolului XXI. În 2003, președintele George W. Bush a anunțat o inițiativă de 1,2 miliarde de dolari pentru combustibil pentru libertate în sprijinul dezvoltării tehnologiei cu celule de combustibil. Celulele cu combustibil au două avantaje majore față de combustibilii fosili. În primul rând, acestea nu epuizează oferta finită de petrol din lume, ceea ce ne ajută să păstrăm livrările existente și ne-ar putea reduce și dependența de petrolul străin. În al doilea rând, singurul produs secundar provenit din funcționarea unei pile a combustibilului este căldura și apa, ceea ce înseamnă că celulele combustibile nu produc poluare. Acest lucru este de o importanță vitală într-o perioadă în care se crede că emisiile de carbon provenite de la mașini promovează încălzirea globală.

În pagina următoare vom analiza modul în care sunt produse automobilele cu hidrogen și celulele de combustibil. Și poate mai important ne vom uita de unde va veni hidrogenul însuși.

Pământul are o mulțime de hidrogen disponibil sub formă de apă; cu toate acestea, separarea, colectarea și stocarea acestuia se poate dovedi destul de dificilă. AP Photo / NASA

Deci, cum produc producătorii care construiesc de fapt vehicule cu combustibil, cum ar fi mașinile cu baterii? Ei bine, producția de automobile cu hidrogen nu este cu mult diferită de producerea de mașini tipice. Desigur, trenul de antrenare, de exemplu, și sistemele electrice vor fi oarecum unice, deoarece o celulă de combustibil creează electricitate. Prin urmare, o mașină cu hidrogen și o mașină electrică au multe în comun în acest sens. Poate o întrebare mai importantă este modul în care va fi produs hidrogenul în sine. Având în vedere că hidrogenul este cel mai abundent element din univers, constituind aproximativ 90 la sută dintre atomii existenți, ați crede că aceasta nu ar fi o problemă. Ei bine, gândiți-vă din nou. Hidrogenul este, de asemenea, cel mai ușor element din univers și orice hidrogen neconținut de pe suprafața Pământului va pluti imediat în spațiul exterior. Ceea ce rămâne hidrogenul pe această planetă este legat de alte elemente sub formă moleculară, cel mai frecvent în molecule de apă (H2O). Și se întâmplă să existe o mulțime de H2O pe suprafața Pământului.

Dar cum separam moleculele de hidrogen din apă de moleculele de oxigen? Și dacă nu folosim apa ca sursă de hidrogen, unde mai putem obține hidrogen?

Cel mai simplu mod de a obține hidrogen din apă este cel pe care Sir William Grove îl știa acum mai bine de 150 de ani: electroliză. Dacă treceți un curent electric prin apă, moleculele de H2O se descompun. Similar cu funcționarea cu celule de combustibil, acest proces folosește un anod și un catod, obișnuite din metale inerte. Când un curent electric este aplicat apei, hidrogenul se formează la catod, iar oxigenul se formează la anod. Deși acest proces este lent, poate fi realizat pe scară largă.

O sursă alternativă pentru hidrogen este gazul natural, care constă în hidrocarburi care apar în mod natural. Un proces numit reformare a aburului poate fi utilizat pentru a separa hidrogenul din gazul de carbon. În prezent, aceasta este cea mai obișnuită metodă de producție la scară industrială de hidrogen și ar fi probabil prima metodă utilizată pentru producerea hidrogenului pentru vehiculele cu combustibil. Din păcate, acest proces folosește combustibili fosili - gazul natural - așa că, dacă scopul construirii de mașini care circulă cu hidrogen este de a evita epuizarea rezervelor de combustibili fosili, gazul natural ar fi cea mai proastă sursă posibilă a acestui combustibil.

Unii experți au sugerat că ar putea fi posibilă construirea de instalații de hidrogen în miniatură care să se încadreze în garajul unei persoane obișnuite, așa că nici măcar nu va fi necesară deplasarea către stația locală de alimentare cu combustibil pentru a umple rezervorul de hidrogen al mașinii. Cea mai extremă formă a acestei idei a fost sugestia că electroliza ar putea fi efectuată în interiorul mașinii în sine, ceea ce ar face posibilă ideea uluitoare a unei mașini care circulă pe apă! Totuși, puterea pentru electroliză trebuie să provină dintr-un fel de baterie, astfel încât o mașină cu apă trebuie să fie reîncărcată periodic.

Deci, sunt mașinile de conducere ecologice ca vehiculele echipate cu celule cu combustibil, într-adevăr mașinile viitorului? Mulți oameni speră, dar există mai multe blocaje rutiere potențiale în drum spre o lume în care oamenii se deplasează în mașinile care circulă cu hidrogen. Vom analiza cele de pe pagina următoare.

Vehicule pe bază de hidrogen din croaziera Daimler, Volkswagen și BMW pe o autostradă din New York. Mașinile au făcut parte dintr-un tur de 31 de orașe, Hydrogen Road Tour, care include și vehicule pe bază de hidrogen din GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan și Toyota. AP Foto / Richard Drew

Mulți oameni consideră că celulele cu combustibil hidrogen sunt cele mai importante tehnologii de combustibil alternativ în curs de dezvoltare. Nu este, însă, fără probleme și poate trece cu zeci de ani până când tehnologia celulelor cu combustibil este pe larg. Putem grupa problemele cu hidrogenul în trei categorii: costurile dezvoltării tehnologiei, dificultățile și pericolele cu stocarea hidrogenului și posibilitatea ca această „tehnologie nepoluantă” să nu fie atât de nepoluantă până la urmă. Iată câteva din problemele automobilelor cu hidrogen cu care ne putem aștepta să ne ocupăm în viitorul apropiat.

Costurile dezvoltării tehnologiei cu hidrogen sunt mari. Nu numai că trebuie să proiectăm și să dezvoltăm pilele de combustibil și mașinile, dar trebuie să dezvoltăm o infrastructură care să susțină aceste vehicule eficiente pe combustibil. Imaginați-vă dacă dețineți în prezent o mașină cu hidrogen. Unde ai merge să-ți umpli rezervorul? Presupunând că nu aveți o instalație de producție de hidrogen în garaj, veți avea nevoie de o stație de alimentare cu hidrogen și singurul loc în care există un număr semnificativ de astfel de stații în acest moment este în statul California, unde guvernatorul Arnold Schwarzenegger are angajat să sprijine un viitor hidrogen. Unele dintre estimările mai pesimiste au plasat costul construirii unei infrastructuri care va permite unui număr semnificativ de automobile cu hidrogen să ajungă la 500 de miliarde de dolari - și timpul de producere a infrastructurii până la patru decenii.!

De asemenea, costul mașinilor este ridicat. Cu platina ca cel mai utilizat catalizator în celulele de combustibil, prețul unui vehicul cu o singură celulă de combustibil este în prezent mai mare de 100.000 USD și poate chiar mult mai mult, motiv pentru care singurele mașini cu hidrogen disponibile pentru dvs. pentru a conduce în acest moment sunt pentru închiriere. , nu este de vanzare. Puțini sunt în situația de a-și permite o mașină atât de scumpă. Se dezvoltă alți catalizatori care probabil vor fi mai puțin scumpi decât platina, dar nimeni nu știe cât de curând vor fi disponibili pentru utilizare pe scară largă.

Problema de depozitare este, de asemenea, una spinoasă. Hidrogenul este un gaz și îi place să se răspândească. A pune-o într-o mașină înseamnă a o strânge la o dimensiune rezonabilă și nu este ușor. Mai mult, hidrogenul se încălzește în timp ce stă în rezervorul unei mașini parcate, ceea ce determină extinderea gazului. Acest lucru înseamnă că rezervoarele trebuie să evacueze hidrogenul periodic din mașină. Lăsați o mașină cu hidrogen stând în jur mai mult de câteva zile și tot combustibilul va fi plecat. Hidrogenul este, de asemenea, foarte inflamabil - explozia spectaculoasă a Hindenburg-ului dirijabil din anii '30 este de părere că unii au fost rezultatul unui incendiu cu hidrogen - deci, dacă hidrogenul iese din rezervor, are potențialul de a fi periculos . Din fericire, incendiile cu hidrogen nu sunt la fel de calde ca și benzina și sunt mai puțin susceptibile să înceapă incendii secundare. Și pentru că hidrogenul crește, majoritatea hidrogenului scăpat va pluti înainte să-și poată face vreun rău.

Și hidrogenul este într-adevăr nepoluant? O celulă de combustibil produce numai căldură și apă ca evacuare, dar procesele utilizate pentru a crea hidrogenul nu sunt neapărat la fel de curate. Electroliza folosește electricitate și că energia electrică va veni adesea din plantele care ard cărbune, o sursă foarte poluantă. Și atunci când hidrogenul este extras din gazul natural, acesta produce emisiile de carbon, exact ceea ce încercăm să evităm folosind hidrogenul în primul rând.

Mulți oameni cred că vom depăși aceste obstacole în cele din urmă, dar va fi dificil. Alții consideră că cel mai bun pariu nostru pentru eficiență în materie de combustibil și conducere ecologică în viitorul apropiat nu constă în hidrogen, ci în vehicule electrice hibride, precum Toyota Prius, hibridul Ford Fusion și alte mașini hibride similare. Totuși, este posibil ca în următoarele două decenii, să dețineți o mașină cu celule pe bază de hidrogen.

Pentru mai multe informații despre combustibili alternativi, mașini hibride și alte subiecte conexe, urmați linkurile de pe pagina următoare.

Articole similare

• Top 10 care vând mașini hibride
• Cum funcționează Honda Civic Hybrid
• Cum funcționează Ford Fusion Hybrid
• Cum funcționează Toyota Prius
• Mașinile hibride sunt mai lente decât mașinile obișnuite?
• Cum funcționează stațiile de alimentare cu combustibil alternativ

surse

• Barras, Colin. "Celula de combustibil fără platină promite o energie verde ieftină." Noul om de știință. 15 decembrie 2008. (21 aprilie 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
• Berger, Michael. "Nanotehnologia ar putea curăța micul secret murdar al mașinii cu hidrogen". Nanowerk. 19 iulie 2007. (21 aprilie 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
• ScienceDaily. "Mașinile cu hidrogen? Rezervorul de stocare a hidrogenului prototip menține rezistența termică extinsă." 10 iunie 2008. (21 aprilie 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
• ScienceDaily. "Mașinile cu hidrogen nu sunt cel mai bun mod de a reduce poluarea, gazele cu efect de seră și dependența de ulei." 18 iulie 2003. (21 aprilie 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
• Squatriglia, Chuck. "Mașinile cu hidrogen sunt aici. Acum avem nevoie doar de o infrastructură de alimentare." Wired. 12 martie 2008. (21 aprilie 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
• Squatriglia, Chuck. "Conducem vehiculul cu celule cu combustibil pentru hidrogen Equinox de la Chevrolet." Wired. 11 martie 2008. (21 aprilie 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
• Wrigglesworth, Phil. „Mașina viitorului perpetuu”. Economistul. 4 septembrie 2008. (21 aprilie 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229