Jak działają samochody napędzane wodorem

Zwiedzający oglądają Honda FCX Clarity na targach motoryzacyjnych Auto China 2008 w Pekinie 20 kwietnia 2008 r. AP Photo / Oded Balilty

Samochód przyszłości jest tutaj już dziś. Oczywiście nie możesz jeszcze go kupić; ale jeśli mieszkasz w Kalifornii, możesz go wynająć. Nie używa benzyny i nie zanieczyszcza powietrza. W rzeczywistości zamiast spalin wytwarza parę. Więc jakie jest tajemnicze paliwo? Wodór - najprostszy i najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we wszechświecie. Niektórzy myślą, że za 20-30 lat wszyscy będziemy jeździć tymi napędzanymi wodorem, paliwooszczędnymi pojazdami.

Chociaż samochody napędzane wodorem mają w sobie coś z science fiction, pomysł nie jest nowy. W rzeczywistości technologia wykorzystywania wodoru do wytwarzania energii istnieje od pierwszej połowy XIX wieku - to dłużej niż samochody. Nowością jest to, że w rzeczywistości na drodze można zobaczyć samochód napędzany wodorem, w którym para wydostaje się z rury wydechowej zamiast cuchnących gazów. Obecnie istnieje kilka samochodów wodorowych, ale większość z nich to samochody koncepcyjne. Te przyjazne dla środowiska maszyny do jazdy obejmują Chevrolet Equinox, BMW 745h i ten, który jest obecnie dostępny do leasingu w Kalifornii, Honda FCX.

To, co umożliwia samochód wodorowy, to urządzenie zwane a ogniwo paliwowe, który przekształca wodór w energię elektryczną, wydzielając jedynie ciepło i wodę jako produkty uboczne. Ponieważ wodór nie zanieczyszcza środowiska, wydaje się być idealnym paliwem na XXI wiek. Wiele osób w rządzie i przemyśle samochodowym jest podekscytowanych jego potencjałem. Samochody napędzane wodorem mogą być oszczędne i dają nadzieję na ekologiczną, ekologiczną jazdę. Jednak wciąż istnieje wiele problemów, które należy rozwiązać i pytań, na które należy odpowiedzieć, zanim wodór stanie się paliwem z wyboru dla wystarczającej liczby ludzi, aby w znacznym stopniu zmienić nasze obecne wykorzystanie paliw kopalnych. Na przykład, skąd weźmiemy wodór? Ile będzie kosztować zakup tych oszczędnych samochodów? Czy uda ci się znaleźć stację tankowania wodoru do uzupełnienia paliwa? I, co być może najważniejsze, jako paliwo wodór jest naprawdę tak niezanieczyszczający, jak się wydaje?

Przyjrzymy się tym pytaniom na kolejnych stronach, ale możemy teraz udzielić Ci jednej szybkiej odpowiedzi: jeśli nie mieszkasz w bardzo określonych częściach kraju i nie masz kieszeni wyłożonych gotówką, nie oczekuj samochodu na wodór na swoim podjeździe w ciągu następnej dekady.

Zawartość

1. Ogniwa paliwowe wodorowe
2. Produkcja samochodów na wodór
3. Usterki samochodów napędzanych wodorem

Autobus napędzany wodorowymi ogniwami paliwowymi wyjeżdża z Connecticut Convention Center w Hartford, Connecticut, na przejażdżkę demonstracyjną. AP Photo / Bob Child

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 akumulatorem gazowo-galwanicznym, ale dziś znamy go jako wodorowe ogniwo paliwowe. Znacznie później, w połowie XX wieku, technologia została dalej rozwinięta przez wynalazcę Francisa Bacona. Technologia, którą wymyślili 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 napędzanie pojazdów ogniwami paliwowymi jest możliwe. Możesz myśleć o ogniwie paliwowym jako o rodzaju baterii, z wyjątkiem tego, że podczas gdy bateria utrzymuje paliwo w sobie, ogniwo paliwowe wymaga uzupełnienia. 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 jednego elektronu i jednego protonu. Ogniwo paliwowe wytwarza energię elektryczną, usuwając elektrony z protonów i wykorzystując je do wytworzenia czystego strumienia energii elektrycznej. Zjonizowane atomy wodoru łączą się następnie z tlenem, tworząc wodę. Innym produktem ubocznym tego procesu jest ciepło, więc woda ta ma zazwyczaj postać pary. Jak to jest z ekologiczną jazdą?

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

Wiele osób uważa, że ​​oszczędne pojazdy, takie jak samochody napędzane wodorem, będą miały kluczowe znaczenie dla zaspokojenia zapotrzebowania na energię w XXI wieku. W 2003 r. Prezydent George W. Bush ogłosił 1,2 miliarda dolarów Freedom Fuel Initiative na wsparcie rozwoju 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 dostawy, 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 sprzyjają globalnemu ociepleniu.

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

Ziemia ma dużo wodoru dostępnego w postaci wody; jednak jego oddzielenie, zebranie i przechowywanie może okazać się dość trudne. AP Photo / NASA

Jak więc producenci faktycznie budują pojazdy o niskim zużyciu paliwa, takie jak samochody z ogniwami paliwowymi? Cóż, produkcja samochodów na wodór nie różni się zbytnio od produkcji typowych samochodów. Oczywiście na przykład układ napędowy i układy elektryczne będą w pewnym sensie wyjątkowe, ponieważ ogniwo paliwowe wytwarza energię elektryczną. Dlatego samochód napędzany wodorem i samochód elektryczny mają pod tym względem wiele wspólnego. Być może ważniejszym pytaniem jest, jak sam wodór będzie produkowany. Biorąc pod uwagę, że wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie, stanowiącym około 90 procent istniejących atomów, można by pomyśleć, że nie stanowi to problemu. Cóż, pomyśl jeszcze raz. Wodór jest również najlżejszym pierwiastkiem we wszechświecie, a każdy niezabezpieczony wodór na powierzchni Ziemi natychmiast wypłynie w przestrzeń kosmiczną. Wodór pozostający na tej planecie jest związany z innymi pierwiastkami w formie molekularnej, najczęściej w cząsteczkach wody (H2O). A tak się składa, że ​​na powierzchni Ziemi jest dużo H2O.

Ale jak oddzielić cząsteczki wodoru w wodzie od cząsteczek tlenu? A jeśli nie wykorzystamy wody jako źródła wodoru, gdzie indziej możemy go zdobyć?

Najprostszym sposobem pozyskiwania wodoru z wody jest ten, który Sir William Grove znał ponad 150 lat temu: elektroliza. Jeśli przepuszczasz prąd elektryczny przez wodę, cząsteczki H2O ulegają rozpadowi. Podobnie jak w przypadku ogniwa paliwowego, proces ten wykorzystuje anodę i katodę, zwykle wykonane z metali obojętnych. Kiedy do wody doprowadzany jest prąd elektryczny, na katodzie tworzy się wodór, a na anodzie 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. W celu oddzielenia wodoru zawartego w gazie od węgla można zastosować proces zwany reformacją parową. Obecnie jest to najpowszechniejsza metoda produkcji wodoru na skalę przemysłową i prawdopodobnie byłaby to pierwsza metoda wykorzystywana do produkcji wodoru w pojazdach z ogniwami paliwowymi. Niestety w procesie tym wykorzystywane są paliwa kopalne - gaz ziemny - więc jeśli celem budowy samochodów napędzanych wodorem jest uniknięcie wyczerpywania się rezerw paliw kopalnych, gaz ziemny byłby najgorszym możliwym źródłem tego paliwa..

Niektórzy eksperci sugerują, że możliwe jest zbudowanie miniaturowych elektrowni wodorowych, które zmieszczą się w garażu przeciętnego człowieka, więc nie będzie nawet trzeba jechać do lokalnej stacji paliw, aby zatankować zbiornik wodoru w samochodzie. Najbardziej ekstremalną formą tego pomysłu była sugestia, że ​​elektrolizę można przeprowadzić w samym samochodzie, co umożliwiłoby zdumiewający pomysł samochodu poruszającego się po wodzie! Jednak energia do elektrolizy musi pochodzić z jakiegoś rodzaju akumulatora, więc samochód zasilany wodą musiałby być okresowo ładowany.

Czy więc ekologiczne maszyny jezdne, takie jak pojazdy wyposażone w ogniwa paliwowe, to naprawdę samochody 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.

Samochody napędzane wodorem Daimlera, Volkswagena i BMW podróżują po nowojorskiej autostradzie. Samochody były częścią 31-miejskiej Hydrogen Road Tour, która obejmuje również pojazdy napędzane wodorem firm GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan i Toyota. AP Photo / Richard Drew

Wiele osób uważa, że ​​wodorowe ogniwa paliwowe są najważniejszą obecnie rozwijaną technologią paliw alternatywnych. Nie jest to jednak bezproblemowe i mogą upłynąć dziesięciolecia, zanim technologia ogniw paliwowych stanie się powszechna. Możemy z grubsza podzielić problemy związane z wodorem na trzy kategorie: koszty rozwoju technologii, trudności i zagrożenia związane z przechowywaniem wodoru oraz możliwość, że ta „nie zanieczyszczająca technologia” nie jest wcale tak nie zanieczyszczająca. Oto niektóre z niepowodzeń samochodów wodorowych, z którymi możemy się spodziewać w najbliższej przyszłości.

Koszty rozwoju technologii wodorowej są wysokie. Musimy nie tylko projektować i rozwijać ogniwa paliwowe i samochody, ale musimy także rozwijać infrastrukturę wspierającą te paliwooszczędne pojazdy. Wyobraź sobie, że obecnie posiadasz samochód na wodór. Gdzie byś się udał, aby napełnić swój zbiornik? Zakładając, że nie masz w garażu zakładu produkującego wodór, będziesz potrzebować stacji tankowania wodoru, a jedynym miejscem, w którym obecnie istnieje znaczna liczba takich stacji, jest stan Kalifornia, gdzie gubernator Arnold Schwarzenegger ma zaangażowany we wspieranie wodorowej przyszłości. Niektóre z bardziej pesymistycznych szacunków określają koszt budowy infrastruktury, która pozwoli znacznej liczbie samochodów na wodór sięgać nawet 500 miliardów dolarów, a czas potrzebny na wytworzenie infrastruktury to aż cztery dekady!

Koszt samochodów też jest wysoki. Ponieważ platyna jest najpowszechniej stosowanym katalizatorem w ogniwach paliwowych, cena pojazdu z jednym ogniwem paliwowym wynosi obecnie ponad 100 000 USD, a być może nawet znacznie więcej, dlatego jedyne samochody wodorowe, które możesz obecnie prowadzić, są w leasingu. , nie na sprzedaż. Niewiele osób może sobie pozwolić 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 przechowywania jest również drażliwy. Wodór jest gazem i lubi się rozprzestrzeniać. Umieszczenie go w samochodzie oznacza ściśnięcie go do rozsądnych rozmiarów, a to nie jest łatwe. Ponadto wodór nagrzewa się, gdy znajduje się w zbiorniku zaparkowanego samochodu, co powoduje rozszerzenie się gazu. Oznacza to, że zbiorniki muszą okresowo upuszczać wodór z samochodu. Zostaw samochód napędzany wodorem dłużej niż kilka dni, a paliwo zniknie. Wodór jest również wysoce łatwopalny - niektórzy uważają, że spektakularna eksplozja sterowca Hindenburga w latach trzydziestych XX wieku była wynikiem pożaru wodoru - więc jeśli wodór wydostanie się ze zbiornika, może być niebezpieczny . Na szczęście pożary wodoru nie są tak gorące jak pożary benzyny i rzadziej powodują pożary wtórne. A ponieważ wodór rośnie, większość ulatniającego się wodoru odpłynie, zanim rzeczywiście wyrządzi jakąkolwiek szkodę.

I czy wodór naprawdę nie zanieczyszcza środowiska? Ogniwo paliwowe wytwarza tylko ciepło i wodę jako spaliny, ale procesy stosowane 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 on emisje węgla, czego właśnie staramy się uniknąć, stosując przede wszystkim wodór.

Wiele osób myśli, że w końcu pokonamy te przeszkody, ale będzie to trudne. Inni uważają, że naszym najlepszym sposobem na oszczędność paliwa i ekologiczną jazdę w najbliższej przyszłości nie jest wodór, ale hybrydowe pojazdy elektryczne, takie jak Toyota Prius, hybryda Ford Fusion i inne podobne samochody hybrydowe. Mimo to możliwe jest, że w ciągu najbliższych kilku dziesięcioleci będziesz mieć samochód z wodorowymi ogniwami paliwowymi.

Aby uzyskać więcej informacji na temat paliw alternatywnych, samochodów hybrydowych i innych powiązanych tematów, skorzystaj z łączy na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• 10 najlepiej sprzedających się samochodów hybrydowych
• Jak działa Honda Civic Hybrid
• Jak działa Ford Fusion Hybrid
• Jak działa Toyota Prius
• Czy samochody hybrydowe są wolniejsze niż zwykłe samochody?
• Jak działają alternatywne stacje paliwowe

Źródła

• Barras, Colin. „Ogniwa paliwowe bez platyny zapewniają tanią, ekologiczną energię”. New Scientist. 15 grudnia 2008. (21 kwietnia 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
• Berger, Michael. „Nanotechnologia może oczyścić mały, brudny sekret samochodu wodorowego”. Nanowerk. 19 lipca 2007. (21 kwietnia 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
• ScienceDaily. „Samochody wodorowe? Prototypowy zbiornik do przechowywania wodoru ma wydłużoną wytrzymałość termiczną”. 10 czerwca 2008. (21 kwietnia 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
• ScienceDaily. „Samochody napędzane wodorem nie są najlepszym sposobem na ograniczenie zanieczyszczenia, gazów cieplarnianych i uzależnienia od ropy”. 18 lipca 2003. (21 kwietnia 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
• Squatriglia, Chuck. „Samochody napędzane wodorem są tutaj. Teraz potrzebujemy tylko infrastruktury paliwowej”. Przewodowy. 12 marca 2008. (21 kwietnia 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
• Squatriglia, Chuck. „Prowadzimy pojazd Chevrolet Equinox z ogniwami paliwowymi wodorowymi”. Przewodowy. 11 marca 2008. (21 kwietnia 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
• Wrigglesworth, Phil. „Samochód wiecznej przyszłości”. Ekonomista. 4 września 2008. (21 kwietnia 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229