Hvordan hydrogenbiler fungerer

  • Gyles Lewis
  • 0
  • 4275
  • 1235
Besøkende ser på Honda FCX Clarity på Auto China 2008 auto show i Beijing 20. april 2008. AP Photo / Oded Balilty

Fremtidens bil er her i dag. Selvfølgelig kan du ikke kjøpe en enda; men hvis du bor i California kan du leie en. Den bruker ikke bensin og den forurenser ikke luften. Faktisk produserer den damp i stedet for eksos. Så hva er mysteriets drivstoff? Hydrogen - det enkleste og mest tallrike elementet i universet. Og noen mennesker tror at om 20 til 30 år vil vi alle kjøre disse hydrogendrevne, drivstoffeffektive kjøretøyene.

Selv om hydrogendrevne biler har en science fiction-kvalitet, er ideen ikke helt ny. Teknologien for å bruke hydrogen til å generere kraft har faktisk eksistert siden første del av 1800-tallet - det er lenger enn biler har eksistert. Det som er nytt, er at du faktisk kan se en hydrogendrevet bil på veien, med damp som kommer ut av eksosrøret i stedet for stygg luktende gasser. Flere hydrogenbiler eksisterer nå, men de fleste av dem er konseptbiler. Disse miljøvennlige kjøremaskinene inkluderer Chevrolet Equinox, BMW 745h og den som for øyeblikket er tilgjengelig for utleie i California, Honda FCX.

Det som gjør en hydrogenbil mulig er en enhet som kalles a brenselcelle, som konverterer hydrogen til elektrisitet, som bare avgir varme og vann som biprodukter. Fordi det er ikke-forurensende, virker hydrogen som det ideelle drivstoffet for det 21. århundre. Mange mennesker i myndighetene og bilindustrien er begeistret for potensialet. Hydrogenbiler har potensial til å være drivstoffeffektive og byr på håp om miljøvennlig, grønn kjøring. Men det er fremdeles mange problemer som må overvinnes og spørsmål som må besvares før hydrogen blir drivstoffet du velger for nok mennesker til å utgjøre mye forskjell i vår nåværende bruk av fossile brensler. Hvor får vi for eksempel hydrogenet? Hvor dyre vil disse drivstoffeffektive bilene være å kjøpe? Vil du være i stand til å finne en hydrogendrivstoffstasjon for å fylle tanken din på nytt? Og, kanskje viktigst, som drivstoff, er hydrogen egentlig så forurensende som det ser ut til?

Vi ser på de spørsmålene på sidene som følger, men vi kan gi deg ett raskt svar akkurat nå: Med mindre du tilfeldigvis bor i veldig spesifikke deler av landet og har lommer fôret med kontanter, ikke forvent en hydrogenbil i oppkjørselen innen det neste tiåret.

innhold
  1. Hydrogen drivstoffceller
  2. Hydrogenbilproduksjon
  3. Hydrogen Car tilbakeslag
En buss med hydrogenbrenselcelle som forlater Connecticut Convention Center i Hartford, Conn., For en demonstrasjonstur. AP Photo / Bob Child

I 1839 tok den walisiske forskeren Sir William Robert Grove den kjente elektrokjemiske prosessen med elektrolyse, som bruker elektrisitet for å produsere hydrogen fra vann, og reverserte den, og genererte strøm og vann fra hydrogen. Han kalte oppfinnelsen sin for et gass-voltaisk batteri, men i dag kjenner vi det som en hydrogenbrenselcelle. Mye senere, på midten av 1900-tallet, ble teknologien videreutviklet av oppfinneren Francis Bacon. Teknologien som disse to oppfinnerne tenkt ut er essensiell for driften av en hydrogenbil.

Det første praktiske brenselcelle-systemet ble utviklet på begynnelsen av 1960-tallet av General Electric for bruk i orbital-romkapsler. Og så på 1990-tallet begynte brenselceller å vises i bybusser. så vi vet at det er mulig å drive kjøretøy med brenselceller. Du kan tenke på en brenselcelle som et slags batteri, bortsett fra at mens et batteri holder drivstoffet i seg selv, må en brenselcelle fylles på nytt. Drivstoffet for en hydrogenbrenselcelle er, som navnet antyder, hydrogen. Som du kanskje husker fra gymnasiekjemi, er hydrogen det enkleste av alle elementer. Et hydrogenatom består av et enkelt elektron og et enkelt proton. Brenselcellen genererer elektrisitet ved å fjerne elektronene fra protonene og bruke elektronene til å skape en ren strøm av strøm. De ioniserte hydrogenatomene kombineres deretter med oksygen for å danne vann. Det andre biproduktet av denne prosessen er varme, så dette vannet har vanligvis form av damp. Hvordan går det med miljøvennlig kjøring?

Den type brenselcelle som brukes i biler er polymerutvekslingsmembranen (eller PEM) brenselcellen. PEM brenselceller har fordelen av å være lette og små. De består av to elektroder (en negativt ladet anode og en positivt ladet katode), en katalysator og en membran. Hydrogen blir tvunget inn i brenselcellen ved anoden i form av H2-molekyler, som hver inneholder to hydrogenatomer. En katalysator ved anoden bryter molekylene i hydrogenioner (protonene) og en strøm av elektrisitet (elektronene). Ionene går gjennom membranen, men strømmen må gå rundt. Mens det gjør det, kan det utnyttes til å gjøre arbeid. Akkurat som hydrogen tvinges inn i brenselcellen ved anoden, blir oksygen tvunget inn ved katoden. Protonene og elektronene gjenforenes ved katoden og går sammen med oksygenet og danner vann, hvorav de fleste blir brenselcellens eksos. Drivstoffceller er designet for å være flate og tynne, hovedsakelig slik at de kan stables. Jo flere brenselceller i stabelen, jo større er spenningen til strømmen som stabelen produserer.

Mange tror at drivstoffeffektive kjøretøy som hydrogendrevne biler vil være avgjørende for å oppfylle energikravene i det 21. århundre. I 2003 kunngjorde president George W. Bush et Freedom Fuel Initiative på 1,2 milliarder dollar til støtte for utviklingen av brenselcelleteknologi. Drivstoffceller har to store fordeler fremfor fossile brensler. For det første tømmer de ikke verdens endelige tilførsel av olje, noe som hjelper oss å bevare de eksisterende forsyningene, og de kan også redusere vår avhengighet av utenlandsk olje. For det andre er det eneste biproduktet fra en brenselcells drift varme og vann, noe som betyr at brenselceller ikke produserer forurensning. Dette er av vital betydning i en tid hvor karbonutslipp fra biler antas å fremme global oppvarming.

På neste side skal vi se på hvordan hydrogenbiler og brenselceller produseres. Og kanskje enda viktigere er vi å se på hvor selve hydrogenet kommer fra.

Jorden har rikelig med hydrogen tilgjengelig i form av vann; Det kan imidlertid være ganske vanskelig å skille den, samle den og lagre den. AP Photo / NASA

Så hvordan bygger produsentene faktisk drivstoffeffektive kjøretøy, som brenselcellebiler? Vel, produksjon av hydrogenbiler er ikke veldig forskjellig fra å produsere typiske biler. Selvfølgelig vil for eksempel drivlinjen og de elektriske systemene være noe unike fordi en brenselcelle skaper strøm. Derfor har en hydrogendrevet bil og elbil mye til felles i så måte. Kanskje er et viktigere spørsmål hvordan selve hydrogenet vil bli produsert. Gitt at hydrogen er det mest tallrike elementet i universet og utgjør omtrent 90 prosent av atomene som eksisterer, skulle du tro at dette ikke ville være noe problem. Tenk om. Hydrogen er også det letteste elementet i universet, og alt ukontrollert hydrogen på jordoverflaten vil umiddelbart flyte ut i det ytre rom. Hva hydrogen som forblir på denne planeten er bundet med andre elementer i molekylær form, oftest i vann (H2O) molekyler. Og det hender at det er mye H2O på overflaten av jorden.

Men hvordan skiller vi hydrogenmolekylene i vannet fra oksygenmolekylene? Og hvis vi ikke bruker vann som en hydrogenskilde, hvor ellers kan vi få hydrogen?

Den enkleste måten å få hydrogen fra vann på er den som William William visste om mer enn 150 år siden: elektrolyse. Hvis du fører en elektrisk strøm gjennom vann, brytes H2O-molekylene sammen. I likhet med drift av brenselceller bruker denne prosessen en anode og en katode, vanligvis laget av inerte metaller. Når en elektrisk strøm tilføres vannet, dannes hydrogen ved katoden, og oksygen dannes ved anoden. Selv om denne prosessen er treg, kan den gjøres i stor skala.

En alternativ kilde for hydrogen er naturgass, som består av naturlig forekommende hydrokarboner. En prosess som kalles dampreformasjon kan brukes til å skille hydrogenet i gassen fra karbonet. For tiden er dette den vanligste metoden for industriell produksjon av hydrogen og vil sannsynligvis være den første metoden som brukes til å produsere hydrogen for brenselcellebiler. Dessverre bruker denne prosessen fossile brensler - naturgassen - så hvis poenget med å bygge biler som kjører på hydrogen er å unngå å tømme fossile brennstoffreserver, ville naturgass være den verste mulige kilden til dette drivstoffet.

Noen eksperter har antydet at det kan være mulig å bygge miniatyrhydrogenanlegg som passer i den gjennomsnittlige personens garasje, så det vil ikke engang være nødvendig å kjøre til den lokale bensinstasjonen for å fylle bilens hydrogentank. Den mest ekstreme formen for denne ideen har vært antydningen om at elektrolyse kan utføres inne i selve bilen, noe som vil muliggjøre den forbløffende ideen om en bil som kjører på vann! Kraften til elektrolysen må imidlertid komme fra et slags batteri, så en vanndrevet bil må periodisk lades.

Så er grønne kjøremaskiner som drivstoffcelleutstyr virkelig fremtidens biler? Mange håper det, men det er flere potensielle veisperringer på vei til en verden der folk kommer seg rundt i biler som kjører på hydrogen. Vi ser på de på neste side.

Hydrogendrevne biler fra Daimler, Volkswagen og BMW cruise på en motorvei i New York. Bilene var en del av en 31-bys Hydrogen Road Tour som også inkluderer hydrogendrevne kjøretøy fra GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan og Toyota. AP Photo / Richard Drew

Mange mennesker tror at brenselceller med hydrogen er den viktigste alternative drivstoffteknologien som er under utvikling. Det er imidlertid ikke uten problemer, og det kan gå flere tiår før brenselcelle-teknologien er i bred bruk. Vi kan grovt gruppere problemene med hydrogen i tre kategorier: kostnadene ved å utvikle teknologien, vansker og farer med hydrogenlagring og muligheten for at denne "ikke-forurensende teknologien" tross alt ikke er så forurensende. Her er noen av tilbakeslagene av hydrogenbiler som vi kan forvente å takle i løpet av den nærmeste fremtiden.

Kostnadene for å utvikle hydrogenteknologi er høye. Ikke bare må vi designe og utvikle drivstoffcellene og bilene, men vi må utvikle en infrastruktur for å støtte disse drivstoffeffektive kjøretøyene. Se for deg om du for øyeblikket eide en hydrogenbil. Hvor vil du gå for å fylle tanken din? Forutsatt at du ikke har et hydrogenproduksjonsanlegg i garasjen din, trenger du en brennstoffpåfyllingsstasjon, og det eneste stedet der det finnes et betydelig antall slike stasjoner for øyeblikket, er i delstaten California, der guvernør Arnold Schwarzenegger har forpliktet seg til å støtte en fremtid i hydrogen. Noen av de mer pessimistiske estimatene har lagt kostnadene ved å bygge en infrastruktur som gjør at et betydelig antall hydrogenbiler kan være så høye som 500 milliarder dollar - og tiden til å produsere infrastrukturen så lenge som fire tiår.!

Kostnadene for bilene er også høye. Med platina som den mest brukte katalysatoren i brenselcellene, er prisen for et enkelt brenselcellekjøretøy for tiden mer enn $ 100 000 og til og med betydelig mer, og det er derfor de eneste hydrogenbilene som er tilgjengelige for deg å kjøre for øyeblikket, er til leie , ikke til salgs. De færreste er i posisjon til å ha råd til en så dyr bil. Andre katalysatorer utvikles som sannsynligvis vil være rimeligere enn platina, men ingen vet hvor snart de vil være tilgjengelige for stor bruk.

Lagringsproblemet er også tornete. Hydrogen er en gass og det liker å spre seg. Å sette den i en bil betyr å klemme den ned til en fornuftig størrelse, og det er ikke lett. Videre blir hydrogen varmt mens det sitter i tanken på en parkert bil, noe som får gassen til å ekspandere. Dette betyr at tankene periodisk må lufte ut hydrogenet fra bilen. La en hydrogenbil sitte rundt i mer enn noen få dager, så vil alt drivstoff være borte. Hydrogen er også svært brannfarlig - den spektakulære eksplosjonen av den dirigerbare Hindenburg på 1930-tallet antas av noen å ha vært et resultat av en hydrogenbrann - så hvis hydrogenet kommer ut av tanken, har det potensialet til å være farlig . Heldigvis er ikke brensler like varme som bensinbranner, og det er mindre sannsynlig at de starter sekundære branner. Og fordi hydrogen stiger, vil mest rømt hydrogen flyte vekk før det faktisk kan gjøre noen skade.

Og er egentlig hydrogen ikke forurensende? En brenselcelle produserer bare varme og vann som eksos, men prosessene som brukes for å skape hydrogenet er ikke nødvendigvis like rene. Elektrolyse bruker strøm og at elektrisitet ofte vil komme fra anlegg som brenner kull, en svært forurensende kilde. Og når hydrogen blir utvunnet fra naturgass, produserer det karbonutslipp, og det er akkurat det vi prøver å unngå ved å bruke hydrogen i utgangspunktet.

Mange tror at vi overvinner disse hindringene etter hvert, men det kommer til å bli vanskelig. Andre mener at det beste alternativet for drivstoffeffektivitet og miljøvennlig kjøring i nær fremtid ikke ligger i hydrogen, men i hybridelektriske kjøretøyer, som Toyota Prius, Ford Fusion hybrid og andre lignende hybridbiler. Det er likevel mulig at du i løpet av de neste tiårene bare kan eie en brenselcellebil med hydrogen.

For mer informasjon om alternative drivstoff, hybridbiler og andre relaterte emner, følg lenkene på neste side.

Relaterte artikler

  • Topp 10 selgende hybridbiler
  • Slik fungerer Honda Civic Hybrid
  • Slik fungerer Ford Fusion Hybrid
  • Slik fungerer Toyota Prius
  • Er hybridbiler tregere enn vanlige biler?
  • Hvordan alternative drivstoffpåfyllingsstasjoner fungerer

kilder

  • Barras, Colin. "Platinfri drivstoffcelle lover billig, grønn kraft." Ny forsker. 15. desember 2008. (21. april 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
  • Berger, Michael. "Nanoteknologi kan rydde opp i bilens skitne lille hemmelighet." Nanowerk. 19. juli 2007. (21. april 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
  • Sciencedaily. "Hydrogen Cars? Prototyp Hydrogen Storage Tank Opprettholder utvidet termisk utholdenhet." 10. juni 2008. (21. april 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
  • Sciencedaily. "Hydrogendrevne biler er ikke den beste måten å kutte forurensing, klimagasser og oljeavhengighet på." 18. juli 2003. (21. april 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
  • Squatriglia, Chuck. "Hydrogenbiler er her. Nå trenger vi bare en drivstoffinfrastruktur." Fast. 12. mars 2008. (21. april 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
  • Squatriglia, Chuck. "Vi kjører Chevrolet Equinox Hydrogen Fuel Cell Vehicle." Fast. 11. mars 2008. (21. april 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
  • Wrigglesworth, Phil. "Den evige fremtidens bil." Økonomen. 4. september 2008. (21. april 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229



Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.

De mest interessante artiklene om hemmeligheter og oppdagelser. Mye nyttig informasjon om alt
Artikler om vitenskap, rom, teknologi, helse, miljø, kultur og historie. Forklare tusenvis av emner slik at du vet hvordan alt fungerer