Jak działają samochody na wodór

Samochód przyszłości jest tutaj dzisiaj. Oczywiście nie możesz jeszcze kupić; ale jeśli mieszkasz w Kalifornii, możesz go wydzierżawić. Nie używa benzyny i nie zanieczyszcza powietrza. W rzeczywistości wytwarza parę zamiast spalin. Więc jakie jest tajemnicze paliwo? Wodór – najprostszy i najobficiej występujący pierwiastek we wszechświecie. Niektórzy myślą, że za 20-30 lat wszyscy będziemy jeździć tymi wodorowymi, oszczędnymi pojazdami.

Chociaż samochody napędzane wodorem mają dla nich jakość science fiction, pomysł nie jest tak naprawdę nowy. Właściwie technologia wykorzystująca wodór do wytwarzania energii istnieje od pierwszej połowy XIX wieku – to dłużej niż samochody. Nowością jest to, że możesz zobaczyć na drodze samochód napędzany wodorem, z parą wydobywającą się z rury wydechowej zamiast śmierdzących gazów. Obecnie istnieje kilka samochodów wodorowych, ale większość z nich to samochody koncepcyjne. Te przyjazne dla środowiska maszyny do jazdy to między innymi Chevrolet Equinox, BMW 745h oraz ta, która jest obecnie dostępna w leasingu w Kalifornii, Honda FCX.

Samochód wodorowy jest możliwy dzięki urządzeniu zwanemu ogniwem paliwowym, który zamienia wodór w energię elektryczną, wydzielając jako produkty uboczne tylko ciepło i wodę. Ponieważ nie zanieczyszcza środowiska, wodór wydaje się idealnym paliwem na miarę XXI wieku. Wiele osób w rządzie i przemyśle samochodowym jest podekscytowanych jego potencjałem. Samochody wodorowe mają potencjał, aby być oszczędnym paliwem i dawać nadzieję na ekologiczną, ekologiczną jazdę. Ale nadal istnieje wiele problemów, które należy przezwyciężyć i pytań, na które należy odpowiedzieć, zanim wodór stanie się paliwem z wyboru dla wystarczającej liczby osób, aby znacząco zmienić nasze obecne wykorzystanie paliw kopalnych. Na przykład, skąd weźmiemy wodór? Jak drogie będą te oszczędne samochody? Czy będziesz w stanie znaleźć stację tankowania wodoru, aby uzupełnić swój bak? I, co może najważniejsze, jako paliwo,

Przyjrzymy się tym pytaniom na następnych stronach, ale już teraz możemy dać ci jedną szybką odpowiedź: Jeśli nie mieszkasz w bardzo konkretnych częściach kraju i masz kieszenie wypełnione gotówką, nie oczekuj samochodu na wodór na Twoim podjeździe w ciągu najbliższej dekady.

1. Wodorowe ogniwa paliwowe
2. Produkcja samochodów wodorowych
3. Wpadki w samochodach wodorowych

W 1839 roku walijski naukowiec Sir William Robert Grove zastosował znany elektrochemiczny proces elektrolizy, który wykorzystuje energię elektryczną do produkcji wodoru z wody, i odwrócił go, wytwarzając energię elektryczną i wodę z wodoru. Nazwał swój wynalazek baterią gazowo-woltaiczną, ale dziś znamy ją jako wodorowe ogniwo paliwowe. Znacznie później, w połowie XX wieku, technologia została dalej rozwinięta przez wynalazcę Francisa Bacona. Technologia, którą opracowali ci dwaj wynalazcy, jest niezbędna do działania samochodu wodorowego.

Pierwszy praktyczny system ogniw paliwowych został opracowany na początku lat 60. przez General Electric do użytku w orbitalnych kapsułach kosmicznych. A potem, w latach 90., w autobusach miejskich zaczęły pojawiać się ogniwa paliwowe. więc wiemy, że zasilanie pojazdów ogniwami paliwowymi jest możliwe. Możesz myśleć o ogniwie paliwowym jako o rodzaju baterii, z tym wyjątkiem, że podczas gdy bateria utrzymuje paliwo w sobie, ogniwo paliwowe wymaga ponownego napełnienia. Paliwem do wodorowego ogniwa paliwowego jest, jak sama nazwa wskazuje, wodór. Jak być może pamiętasz z lekcji chemii w liceum, wodór jest najprostszym ze wszystkich pierwiastków. Atom wodoru składa się z pojedynczego elektronu i pojedynczego protonu. Ogniwo paliwowe wytwarza energię elektryczną, usuwając elektrony z protonów i wykorzystując elektrony do wytworzenia czystego strumienia energii elektrycznej. Zjonizowane atomy wodoru łączą się następnie z tlenem, tworząc wodę. Innym produktem ubocznym tego procesu jest ciepło, więc ta woda zwykle przyjmuje postać pary. Jak to jest z jazdą przyjazną dla środowiska?

Rodzaj ogniwa paliwowego stosowanego w samochodach to ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (lub PEM). Ogniwa paliwowe PEM mają tę zaletę, że są lekkie i małe. Składają się z dwóch elektrod (anody naładowanej ujemnie i katody naładowanej dodatnio), katalizatora i membrany. Wodór jest wtłaczany do ogniwa paliwowego na anodzie w postaci cząsteczek H2, z których każdy zawiera dwa atomy wodoru. Katalizator na anodzie rozbija cząsteczki na jony wodoru (protony) i przepływ prądu (elektrony). Jony przechodzą przez membranę, ale elektryczność musi krążyć. W tym czasie można go wykorzystać do pracy. Tak jak wodór jest wtłaczany do ogniwa paliwowego przez anodę, tlen jest wtłaczany przez katodę. Protony i elektrony ponownie łączą się na katodzie i łączą się z tlenem, tworząc wodę, większość z nich staje się spalinami z ogniwa paliwowego. Ogniwa paliwowe są zaprojektowane tak, aby były płaskie i cienkie, głównie po to, aby można je było układać w stos. Im więcej ogniw paliwowych w stosie, tym większe napięcie wytwarzanej przez stos energii elektrycznej.

Wiele osób uważa, że ​​energooszczędne pojazdy, takie jak samochody napędzane wodorem, będą miały kluczowe znaczenie dla zaspokojenia zapotrzebowania energetycznego XXI wieku. W 2003 roku prezydent George W. Bush ogłosił inicjatywę Freedom Fuel Initiative o wartości 1,2 miliarda dolarów, wspierającą rozwój technologii ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe mają dwie główne zalety w porównaniu z paliwami kopalnymi. Po pierwsze, nie wyczerpują ograniczonych światowych zasobów ropy, co pomaga nam zachować istniejące zasoby, a także może zmniejszyć naszą zależność od zagranicznej ropy. Po drugie, jedynym produktem ubocznym działania ogniwa paliwowego jest ciepło i woda, co oznacza, że ​​ogniwa paliwowe nie wytwarzają zanieczyszczeń. Jest to niezwykle ważne w czasach, gdy uważa się, że emisje dwutlenku węgla z samochodów przyczyniają się do globalnego ocieplenia.

Na następnej stronie przyjrzymy się, jak produkowane są samochody wodorowe i ogniwa paliwowe. A co być może ważniejsze, przyjrzymy się, skąd będzie pochodził sam wodór.

Jak więc producenci faktycznie budują oszczędne pojazdy, takie jak samochody na ogniwa paliwowe? Cóż, produkcja samochodów na wodór nie różni się zbytnio od produkcji typowych samochodów. Oczywiście, na przykład układ napędowy i systemy elektryczne będą nieco wyjątkowe, ponieważ ogniwo paliwowe wytwarza energię elektryczną. Dlatego samochód na wodór i samochód elektryczny mają pod tym względem wiele wspólnego. Być może ważniejszym pytaniem jest to, jak sam wodór będzie produkowany. Biorąc pod uwagę, że wodór jest pierwiastkiem najobficiej występującym we wszechświecie, stanowiąc około 90 procent istniejących atomów, można by pomyśleć, że nie stanowiłoby to problemu. Cóż, pomyśl jeszcze raz. Wodór jest również najlżejszym pierwiastkiem we wszechświecie, a każdy niezawarty wodór na powierzchni Ziemi natychmiast uniesie się w przestrzeń kosmiczną. Pozostały wodór na tej planecie jest związany z innymi pierwiastkami w formie cząsteczkowej, najczęściej w cząsteczkach wody (H2O). A na powierzchni Ziemi jest dużo H2O.

Ale jak oddzielić cząsteczki wodoru w wodzie od cząsteczek tlenu? A jeśli nie używamy wody jako źródła wodoru, gdzie indziej możemy pozyskać wodór?

Najprostszym sposobem pozyskiwania wodoru z wody jest ten, o którym Sir William Grove wiedział ponad 150 lat temu: elektroliza. Jeśli przepuszczasz prąd elektryczny przez wodę, cząsteczki H2O ulegają rozpadowi. Podobnie jak w przypadku ogniw paliwowych, proces ten wykorzystuje anodę i katodę, zwykle wykonane z metali obojętnych. Gdy do wody zostanie doprowadzony prąd elektryczny, na katodzie tworzy się wodór, a na anodzie powstaje tlen. Chociaż proces ten jest powolny, można go przeprowadzić na dużą skalę.

Alternatywnym źródłem wodoru jest gaz ziemny, który składa się z naturalnie występujących węglowodorów. Do oddzielenia wodoru w gazie od węgla można zastosować proces zwany reformacją parową. Obecnie jest to najpopularniejsza metoda produkcji wodoru na skalę przemysłową i prawdopodobnie byłaby pierwszą metodą wykorzystywaną do produkcji wodoru do pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi. Niestety, w procesie tym wykorzystywane są paliwa kopalne – gaz ziemny – więc jeśli celem budowy samochodów napędzanych wodorem jest uniknięcie wyczerpywania się zasobów paliw kopalnych, gaz ziemny byłby najgorszym możliwym źródłem tego paliwa.

Niektórzy eksperci sugerowali, że możliwe byłoby zbudowanie miniaturowych elektrowni wodorowych, które zmieszczą się w przeciętnym garażu, więc nie będzie nawet konieczności jeżdżenia na lokalną stację paliw, aby napełnić zbiornik wodoru w samochodzie. Najbardziej ekstremalną formą tego pomysłu była sugestia, że ​​elektrolizę można przeprowadzić wewnątrz samego samochodu, co umożliwiłoby zdumiewający pomysł samochodu jeżdżącego na wodzie! Jednak energia do elektrolizy musi pochodzić z jakiegoś akumulatora, więc samochód napędzany wodą musiałby być okresowo doładowywany.

Czy zatem ekologiczne maszyny do jazdy, takie jak pojazdy wyposażone w ogniwa paliwowe, są naprawdę samochodami przyszłości? Wiele osób ma taką nadzieję, ale istnieje kilka potencjalnych przeszkód na drodze do świata, w którym ludzie poruszają się samochodami napędzanymi wodorem. Przyjrzymy się tym na następnej stronie.

Wiele osób uważa, że ​​wodorowe ogniwa paliwowe to najważniejsza obecnie opracowywana technologia paliw alternatywnych. Nie jest to jednak bezproblemowe i mogą minąć dziesięciolecia, zanim technologia ogniw paliwowych będzie powszechnie stosowana. Problemy z wodorem możemy z grubsza podzielić na trzy kategorie: koszty opracowania technologii, trudności i zagrożenia związane z przechowywaniem wodoru oraz możliwość, że ta „technologia nie zanieczyszczająca środowiska” wcale nie jest tak niezanieczyszczająca. Oto niektóre z niepowodzeń samochodów wodorowych, z którymi możemy się spodziewać w najbliższej przyszłości.

Koszty rozwoju technologii wodorowej są wysokie. Nie tylko musimy zaprojektować i opracować ogniwa paliwowe i samochody, ale musimy również stworzyć infrastrukturę wspierającą te oszczędne pojazdy. Wyobraź sobie, że masz obecnie samochód na wodór. Gdzie poszedłbyś, aby napełnić swój zbiornik? Zakładając, że nie masz w garażu wytwórni wodoru, będziesz potrzebować stacji tankowania wodoru, a jedynym miejscem, gdzie obecnie istnieje jakakolwiek znacząca liczba takich stacji, jest stan Kalifornia, gdzie gubernator Arnold Schwarzenegger ma zaangażowani we wspieranie przyszłości wodorowej. Niektóre z bardziej pesymistycznych szacunków wskazują, że koszt budowy infrastruktury, która pozwoli znacznej liczbie samochodów na wodór, wynieść nawet 500 miliardów dolarów – a czas na produkcję infrastruktury będzie trwał nawet cztery dekady!

Koszt samochodów też jest wysoki. Z platyną jako najczęściej używanym katalizatorem w ogniwach paliwowych, cena pojazdu z jednym ogniwem paliwowym wynosi obecnie ponad 100 000 USD, a może nawet znacznie więcej, dlatego jedyne dostępne obecnie samochody wodorowe są dostępne w leasingu , nie na sprzedaż. Niewiele osób jest w stanie pozwolić sobie na tak drogi samochód. Opracowywane są inne katalizatory, które prawdopodobnie będą tańsze niż platyna, ale nikt nie wie, jak szybko będą dostępne do użytku na dużą skalę.

Problem z przechowywaniem jest również drażliwy. Wodór jest gazem i lubi się rozprzestrzeniać. Umieszczenie go w samochodzie oznacza ściśnięcie go do rozsądnego rozmiaru, a to nie jest łatwe. Co więcej, wodór nagrzewa się, gdy znajduje się w baku zaparkowanego samochodu, co powoduje rozszerzanie się gazu. Oznacza to, że zbiorniki muszą okresowo spuszczać wodór z samochodu. Zostaw samochód wodorowy na dłużej niż kilka dni, a całe paliwo zniknie. Wodór jest również wysoce łatwopalny – spektakularna eksplozja sterowca Hindenburga w latach 30. jest uważana przez niektórych za wynik pożaru wodorowego – więc jeśli wodór wydostanie się ze zbiornika, może być niebezpieczny . Na szczęście pożary wodorowe nie są tak gorące jak pożary benzynowe i rzadziej powodują pożary wtórne. A ponieważ wodór unosi się,

I czy wodór naprawdę nie zanieczyszcza środowiska? Ogniwo paliwowe wytwarza tylko ciepło i wodę jako spaliny, ale procesy wykorzystywane do wytwarzania wodoru niekoniecznie są tak czyste. Elektroliza wykorzystuje energię elektryczną, która często pochodzi z elektrowni spalających węgiel, źródło wysoce zanieczyszczające. A kiedy wodór jest wydobywany z gazu ziemnego, powoduje emisję dwutlenku węgla, czego właśnie staramy się uniknąć, używając przede wszystkim wodoru.

Wiele osób myśli, że w końcu pokonamy te przeszkody, ale będzie to trudne. Inni uważają, że w najbliższej przyszłości najlepszym rozwiązaniem dla efektywności paliwowej i ekologicznej jazdy nie będzie wodór, ale hybrydowe pojazdy elektryczne, takie jak Toyota Prius, hybryda Ford Fusion i inne podobne samochody hybrydowe. Mimo to jest możliwe, że w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat będziesz posiadał samochód na wodorowe ogniwa paliwowe.

Aby uzyskać więcej informacji o paliwach alternatywnych, samochodach hybrydowych i innych powiązanych tematach, skorzystaj z łączy na następnej stronie.

Powiązane artykuły