Sådan fungerer brintbiler

  • Thomas Dalton
  • 0
  • 1883
  • 42
Besøgende ser på Honda FCX Clarity på Auto China 2008 autoshow i Beijing, den 20. april, 2008. AP Photo / Oded Balilty

Fremtidens bil er her i dag. Selvfølgelig kan du ikke købe en endnu; men hvis du bor i Californien, kan du leje en. Den bruger ikke benzin, og den forurener ikke luften. Faktisk producerer det damp i stedet for udstødning. Så hvad er mysteriet brændstof? Hydrogen - det enkleste og mest rigelige element i universet. Og nogle mennesker tror, ​​at om 20 til 30 år kører vi alle disse brintdrevne, brændstofeffektive køretøjer.

Selvom brintdrevne biler har en science fiction-kvalitet, er ideen ikke rigtig ny. Faktisk har teknologien til at bruge brint til at generere strøm eksisteret siden den første del af det 19. århundrede - det er længere end biler har eksisteret. Det nye er, at du faktisk kan se en brintdrevet bil på vejen med damp, der kommer ud af dens udstødningsrør i stedet for ildelugtende gasser. Der findes nu flere brintbiler, men de fleste af dem er konceptbiler. Disse miljøvenlige køremaskiner inkluderer Chevrolet Equinox, BMW 745h og den, der i øjeblikket kan lejes i Californien, Honda FCX.

Hvad der muliggør en brintbil er en enhed kaldet a brændselscelle, der konverterer brint til elektricitet, der kun afgiver varme og vand som biprodukter. Fordi det er ikke-forurenende, virker brint som det ideelle brændstof i det 21. århundrede. Mange mennesker i regeringen og bilindustrien er begejstrede for dens potentiale. Brintbiler har potentialet til at være brændstofeffektive og byder på håb om miljøvenlig, grøn kørsel. Men der er stadig mange problemer, der skal overvindes, og spørgsmål, der skal besvares, inden brint bliver det valgte brændstof for nok mennesker til at gøre meget forskel i vores nuværende brug af fossile brændstoffer. Hvor får vi for eksempel brintet? Hvor dyre vil disse brændstofeffektive biler være at købe? Vil du være i stand til at finde en brændstofbrændstofstation til at genopfylde din tank? Og måske vigtigst af alt, som brændstof, er brint virkelig så ikke-forurenende som det ser ud til?

Vi ser på disse spørgsmål på de følgende sider, men vi kan give dig et hurtigt svar lige nu: Medmindre du tilfældigvis bor i meget specifikke dele af landet og har lommer foret med kontanter, skal du ikke forvente en brintbil i dit indkørsel inden for det næste årti.

Indhold
  1. Hydrogenbrændselsceller
  2. Hydrogenbilproduktion
  3. Hydrogenbil tilbageslag
En bus med brændstofcelle drevet bus forlader Connecticut Convention Center i Hartford, Conn., Til en demonstrationstur. AP-foto / Bob Child

I 1839 tog den walisiske videnskabsmand Sir William Robert Grove den velkendte elektrokemiske proces med elektrolyse, der bruger elektricitet til at producere brint fra vand, og vendte den om og genererede elektricitet og vand fra brint. Han kaldte sin opfindelse et gasvoltaisk batteri, men i dag kender vi det som en brændstofcelle. Meget senere, i midten af ​​det 20. århundrede, blev teknologien yderligere udviklet af opfinderen Francis Bacon. Teknologien, som disse to opfindere har udviklet, er essentiel for driften af ​​en brintbil.

Det første praktiske brændselscelle-system blev udviklet i begyndelsen af ​​1960'erne af General Electric til brug i orbitale rumkapsler. Og derefter i 1990'erne begyndte brændselsceller at blive vist i bybusser. så vi ved, at det er muligt at køre med køretøjer med brændselsceller. Du kan tænke på en brændselscelle som en slags batteri, bortset fra at mens et batteri holder sit brændstof inde i sig selv, skal en brændselscelle genopfyldes. Brændstof til en brintbrændselscelle er som navnet antyder brint. Som du måske husker fra gymnasiekemi, er brint det enkleste af alle elementer. Et hydrogenatom består af et enkelt elektron og et enkelt proton. Brændselscellen genererer elektricitet ved at fjerne elektronerne fra protonerne og bruge elektronerne til at skabe en ren strøm af strøm. De ioniserede hydrogenatomer kombineres derefter med ilt til dannelse af vand. Det andet biprodukt ved denne proces er varme, så dette vand tager normalt form af damp. Hvordan går det med miljøvenlig kørsel?

Den type brændselscelle, der bruges i biler, er brændselscellen til polymerudvekslingsmembran (eller PEM). PEM-brændselsceller har fordelen ved at være lette og små. De består af to elektroder (en negativt ladet anode og en positivt ladet katode), en katalysator og en membran. Brint tvinges ind i brændselscellen ved anoden i form af H2-molekyler, der hver indeholder to hydrogenatomer. En katalysator ved anoden bryder molekylerne i brintioner (protonerne) og en strøm af elektricitet (elektronerne). Iionerne passerer gennem membranen, men elektriciteten skal gå rundt. Mens det gør det, kan det udnyttes til at udføre arbejde. Ligesom brint tvinges ind i brændselscellen ved anoden, tvinges ilt ind ved katoden. Protonerne og elektronerne genforenes ved katoden og går sammen med ilt for at danne vand, hvoraf de fleste bliver brændselscellens udstødning. Brændselsceller er designet til at være flade og tynde, hovedsageligt så de kan stables. Jo flere brændselsceller i stakken, jo større er spændingen for den elektricitet, som stakken producerer.

Mange mennesker tror, ​​at brændstofeffektive køretøjer som brintdrevne biler vil være afgørende for at imødekomme energikravene i det 21. århundrede. I 2003 annoncerede præsident George W. Bush et frihedsbrændstofinitiativ på 1,2 milliarder dollars til støtte for udviklingen af ​​brændselscelleteknologi. Brændselsceller har to store fordele frem for fossile brændstoffer. For det første udtømmer de ikke verdens begrænsede levering af olie, hvilket hjælper os med at bevare de eksisterende forsyninger, og de kan også reducere vores afhængighed af udenlandsk olie. For det andet er det eneste biprodukt fra en brændselscellefunktion varme og vand, hvilket betyder, at brændselsceller ikke producerer forurening. Dette er meget vigtigt i en tid, hvor antallet af kulstofemissioner fra biler antages at fremme den globale opvarmning.

På næste side ser vi på, hvordan brintbiler og brændselsceller produceres. Og måske mere vigtigt vil vi se på, hvor selve brintet kommer fra.

Jorden har masser af brint tilgængeligt i form af vand; At adskille det, indsamle det og opbevare det kan dog vise sig at være ret vanskeligt. AP Photo / NASA

Så hvordan bygger fabrikanter faktisk brændstofeffektive køretøjer, som brændstofcellebiler? Produktionen af ​​brintbiler er ikke meget forskellig fra at producere typiske biler. Selvfølgelig vil f.eks. Drivtoget og de elektriske systemer være noget unikt, fordi en brændselscelle skaber elektricitet. Derfor har en brintdrevet bil og elbil meget til fælles i den henseende. Et vigtigere spørgsmål er måske, hvordan selve brintet produceres. I betragtning af at brint er det mest rigelige element i universet, der udgør cirka 90 procent af de eksisterende atomer, ville du tro, at dette ikke ville være et problem. Tænk igen. Brint er også det letteste element i universet, og ethvert uholdet brint på jordoverfladen flyder straks ud i det ydre rum. Hvad der forbliver brint på denne planet er bundet med andre elementer i molekylær form, oftest i vand (H2O) molekyler. Og der er tilfældigvis en masse H2O på jordoverfladen.

Men hvordan adskiller vi brintmolekylerne i vandet fra iltmolekylerne? Og hvis vi ikke bruger vand som brintkilde, hvor ellers kan vi få brint?

Den enkleste måde at få brint fra vand på er den, som William William Grove kendte til for mere end 150 år siden: elektrolyse. Hvis du fører en elektrisk strøm gennem vand, nedbrydes H2O-molekylerne. I lighed med brændselscellefunktionen bruger denne proces en anode og en katode, som normalt er fremstillet af inerte metaller. Når der tilføres en elektrisk strøm på vandet, dannes brint ved katoden, og der dannes ilt ved anoden. Selvom denne proces er langsom, kan den udføres i stor skala.

En alternativ kilde til brint er naturgas, der består af naturligt forekommende kulbrinter. En proces kaldet dampreformation kan bruges til at adskille brintet i gassen fra kulstoffet. På nuværende tidspunkt er dette den mest almindelige metode til produktion af brint i industriel skala og vil sandsynligvis være den første metode, der anvendes til at fremstille brint til brændselscellebiler. Desværre bruger denne proces fossile brændstoffer - naturgassen - så hvis formålet med at bygge biler, der kører på brint, er at undgå udtømning af fossile brændstofreserver, ville naturgas være den værst mulige kilde til dette brændstof.

Nogle eksperter har antydet, at det muligvis er muligt at bygge miniatyrbrintanlæg, der kan passe ind i den gennemsnitlige persons garage, så det vil ikke engang være nødvendigt at køre til den lokale brændstofstation for at fylde bilens brintbeholder. Den mest ekstreme form for denne idé har været antydningen om, at der kunne udføres elektrolyse inde i selve bilen, hvilket ville muliggøre den forbløffende idé om en bil, der kører på vand! Strømmen til elektrolysen skal dog komme fra en slags batteri, så en vanddrevet bil skulle periodisk genoplades.

Så er grønne køremaskiner som udstyret med brændselscelle virkelig fremtidens biler? Mange håber det, men der er flere potentielle spærringer på vej til en verden, hvor folk kommer rundt i biler, der kører på brint. Vi ser på dem på næste side.

Brintdrevne køretøjer fra Daimler, Volkswagen og BMW sejler på en New York-motorvej. Bilerne var en del af en 31-by, Hydrogen Road Tour, der også inkluderer brintdrevne køretøjer fra GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan og Toyota. AP Photo / Richard Drew

Mange mennesker tror, ​​at brintbrændselsceller er den vigtigste alternative brændstofteknologi, der i øjeblikket er under udvikling. Det er dog ikke uden problemer, og det kan gå årtier, inden brændselscelle-teknologien er i vid udstrækning. Vi kan groft gruppere problemerne med brint i tre kategorier: omkostningerne ved at udvikle teknologien, vanskeligheder og farer ved brintlagring og muligheden for, at denne "ikke-forurenende teknologi" overhovedet ikke er så forurenende. Her er nogle af de tilbageslag, som vi kan forvente at håndtere i den nærmeste fremtid.

Omkostningerne ved udvikling af brintteknologi er høje. Vi er ikke kun nødt til at designe og udvikle brændselsceller og biler, men vi er nødt til at udvikle en infrastruktur til støtte for disse brændstofeffektive køretøjer. Forestil dig, om du i øjeblikket ejede en brintbil. Hvor vil du hen til fylde din tank? Forudsat at du ikke har et brintproduktionsanlæg i din garage, har du brug for en brændstofpåfyldningsstation, og det eneste sted, hvor der findes et betydeligt antal sådanne stationer i øjeblikket, er i delstaten Californien, hvor guvernør Arnold Schwarzenegger har engageret i at støtte en fremtid i brint. Nogle af de mere pessimistiske skøn har placeret omkostningerne ved bygning af en infrastruktur, der tillader et betydeligt antal brintbiler at være så højt som 500 milliarder dollars - og tiden til at producere infrastrukturen så længe som fire årtier.!

Prisen på bilerne er også høj. Med platin som den mest anvendte katalysator i brændselscellerne er prisen på et enkelt brændselscellekøretøj i øjeblikket over $ 100.000 og måske endda betydeligt mere, hvorfor de eneste brintbiler, der er til rådighed for dig at køre i øjeblikket, er til leje , ikke til salg. Få mennesker er i stand til at have råd til en så dyr bil. Der udvikles andre katalysatorer, som sandsynligvis vil være billigere end platin, men ingen ved, hvor snart de vil være tilgængelige til stor brug.

Opbevaringsproblemet er også et torneret. Brint er en gas og det kan lide at sprede sig. At sætte den i en bil betyder, at den presses ned til en rimelig størrelse, og det er ikke let. Endvidere bliver brint varmt, mens det sidder i tanken på en parkeret bil, hvilket får gassen til at ekspandere. Det betyder, at tanke skal periodisk udlufte brintet fra bilen. Lad en brintbil sidde i mere end et par dage, så alt brændstof vil være væk. Brint er også meget brandfarligt - den spektakulære eksplosion af den dirigerbare Hindenburg i 1930'erne antages af nogle at have været resultatet af en brintbrand - så hvis brintet kommer ud af tanken, kan det være farligt . Heldigvis er brintbrande ikke så varme som benzinbrande og er mindre tilbøjelige til at starte sekundære brande. Og fordi brint stiger, flyder det mest undslåede brint væk, før det faktisk kan skade.

Og er brint virkelig ikke forurenende? En brændselscelle producerer kun varme og vand som udstødning, men de processer, der bruges til at skabe brintet, er ikke nødvendigvis så rene. Elektrolyse bruger elektricitet, og at elektricitet ofte kommer fra planter, der brænder kul, en meget forurenende kilde. Og når brint udvindes fra naturgas, producerer det kulstofemissioner, hvilket er nøjagtigt hvad vi prøver at undgå ved at bruge brint til at begynde med.

Mange mennesker tror, ​​at vi i sidste ende vil overvinde disse hindringer, men det bliver svært. Andre mener, at vores bedste indsats for brændstofeffektivitet og miljøvenlig kørsel i den nærmeste fremtid ikke ligger i brint, men i hybridelektriske køretøjer, som Toyota Prius, Ford Fusion hybrid og andre lignende hybridbiler. Det er stadig muligt, at du inden for de næste par årtier bare måske ejer en brændstofcellebil.

For mere information om alternative brændstoffer, hybridbiler og andre relaterede emner, følg linkene på næste side.

Relaterede artikler

  • Top 10 sælgende hybridbiler
  • Sådan fungerer Honda Civic Hybrid
  • Sådan fungerer Ford Fusion Hybrid
  • Sådan fungerer Toyota Prius
  • Er hybridbiler langsommere end almindelige biler?
  • Sådan fungerer alternative brændstofpåfyldningsstationer

Kilder

  • Barras, Colin. "Platinfri brændselscelle lover billig, grøn strøm." Ny videnskabsmand. 15. december 2008. (21. april 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
  • Berger, Michael. "Nanoteknologi kunne rydde op i brintbilens beskidte lille hemmelighed." Nanowerk. 19. juli 2007. (21. april 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
  • ScienceDaily. "Hydrogenbiler? Prototype Hydrogen Storage Tank opretholder udvidet termisk udholdenhed." 10. juni 2008. (21. april 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
  • ScienceDaily. "Hydrogenbrændstofbiler er ikke den bedste måde at skære ned i forurening, drivhusgasser og olieafhængighed på." 18. juli 2003. (21. april 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
  • Squatriglia, Chuck. "Hydrogenbiler er her. Nu har vi bare brug for en brændstofinfrastruktur." Wired. 12. marts 2008. (21. april 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
  • Squatriglia, Chuck. "Vi kører Chevrolet Equinox-brændstofcellekøretøj." Wired. 11. marts 2008. (21. april 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
  • Wrigglesworth, Phil. "Den evige fremtids bil." Økonomen. 4. september 2008. (21. april 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229



Endnu ingen kommentarer

De mest interessante artikler om hemmeligheder og opdagelser. Masser af nyttige oplysninger om alt
Artikler om videnskab, rum, teknologi, sundhed, miljø, kultur og historie. Forklare tusinder af emner, så du ved, hvordan alt fungerer