Brennstoffzelle vs. Wasserstoffmotor

mit dem Wasserstofftechnologie Es sind verschiedene Arten von Motoren entstanden. Auf der einen Seite haben wir Wasserstofffahrzeuge die eine Brennstoffzelle verwenden, um die für den Kreislauf notwendige Energie zu erzeugen, und auf der anderen Seite haben wir Wasserstoff-Verbrennungsmotoren. Das wirft viele Fragen auf, aber sie sind sehr unterschiedlich.

Sie sollten wissen, welche das sind Unterschiede und Bedienung dieser zwei extrem unterschiedlichen Aspekte, die aber den gleichen Kraftstoff verwenden, um zu funktionieren ...

Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen

Die Brennstoffzellenfahrzeuge, auch bekannt als FCVs oder FCEVs, sind eine Art Elektrofahrzeug, das eine Brennstoffzelle als Energiequelle verwendet, die zum Antrieb seiner Motoren oder zum Speichern von Energie in einer Batterie verwendet wird, um sie bei Bedarf zu verwenden.

Brennstoffzellen Strom in der Regel aus Luftsauerstoff und komprimiertem Wasserstoff erzeugen in Panzern. Es gibt jedoch auch andere Brennstoffzellen, die andere Elemente zur Stromerzeugung nutzen können, aber hier interessiert uns nur Wasserstoff.

Diese Fahrzeuge konzentrieren die Schadstoffe der Wasserstoffproduktion an dem Ort, an dem der Wasserstoff produziert wird (oder während des Transports und der Lagerung des Wasserstoffs, der auch Schadstoffe von den Lastwagen und anderen beteiligten Motoren erzeugen kann), wenn es sich nicht um Wasserstoff handelt. Das heißt, diese Fahrzeuge selbst emittieren keinerlei Schadstoffe während sie zirkulieren.

Alle Brennstoffzellen bestehen aus drei grundlegende Teile:

• Elektrolyt: ist eine Substanz, die in ihrer Zusammensetzung freie Ionen enthält, wodurch sie sich wie ein elektrischer Leiter verhält.
• Anode: Es ist eine Elektrode oder ein Anschluss der Batterie, die eine Oxidationsreaktion hervorruft, durch die sie Elektronen verliert. Daher verhält es sich wie ein positiver Pol.
• Kathode: Es ist eine Elektrode oder ein Anschluss der Batterie, die einer Reduktionsreaktion unterzogen wird, dh einer Reaktion, durch die sie Elektronen aufnimmt. Daher verhält es sich wie ein negativer Pol.

Auf diese Weise ein Wasserstoff-Brennstoffzelle Es funktioniert wie eine herkömmliche Batterie und erzeugt elektrische Energie, um den Motor anzutreiben oder in einer Batterie zu speichern. Doch während die Batterie aufgeladen werden muss, wird die Brennstoffzelle mit Brennstoff, in diesem Fall Wasserstoff, betrieben.

größten Herausforderungen

Einer der größten Herausforderungen Diese Art von Fahrzeug steht vor der Tatsache, dass sehr sichere Lagertanks benötigt werden, um hohen Drücken standzuhalten und Lecks im Falle eines Unfalls zu verhindern, der sehr heftige Reaktionen hervorrufen könnte. Natürlich ist auch die Tankinfrastruktur nicht flächendeckend und es ist schwierig, Wasserstofftankstellen zu finden.

Zu all dem müssen wir hinzufügen, dass die ersten Brennstoffzellen-Designs a Lebensdienst verringert, obwohl diesbezüglich einige Fortschritte erzielt wurden. Beispielsweise können Polymerelektrolytmembran- oder PEM-Zellen bis zu 7300 Stunden unter Zyklenbedingungen haben.

Andererseits ist anzumerken, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen sie sind relativ teuer herzustellen, da teure Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Platin, das als Katalysator wirkt. Außerdem muss Wasserstoff sicher produziert und gespeichert werden, was diese Technologie zusätzlich verteuert. Glücklicherweise werden derzeit neue Wasserstoffbrennstoffzellen unter Verwendung von Nanopartikeln entwickelt, die viel weniger Platin und niedrigere Kosten erfordern.

Geschichte

Das Brennstoffzellenkonzept war ein Phänomen, das erstmals 1801 von Humphry Davy demonstriert wurde. Die Erfindung ist jedoch auf William Grove. Durch Groves Experimente mit dem, was er eine „Gas-Voltaik-Batterie“ nannte, zeigten sie, dass es möglich war, Strom aus Wasserstoffgas und Sauerstoff zu erzeugen. Hier bewies er 1842 die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff an einem Platinkatalysator.

Später der Ingenieur Franz Thomas Bacon Er verbesserte Groves Arbeit, indem er zwischen 1939 und 1959 verschiedene alkalische Brennstoffzellen entwickelte. Das erste Fahrzeug, das diese Brennstoffzellen verwendete, war ein modifizierter Allis-Chalmers-Ackerschlepper der damaligen Zeit, der bis zu 15 kW Leistung erzeugte.

La Weltraumrennen im Kalten Krieg Es war auch ein großer Schub für diese Brennstoffzellentechnologien, in Weltraummissionen verwendet zu werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Dies war ein Durchbruch, da es unter anderem in Apollo-Kapseln und Mondlandefähren eingesetzt wurde.

Allerdings dauerte es bis 1966, als General Motors das erste Straßenfahrzeug entwickelte, das eine Brennstoffzelle verwendete. war der berühmte Chevrolet Elektro-Van. Dieses Fahrzeug hatte eine PEM-Brennstoffzelle und konnte bei einer Höchstgeschwindigkeit von 193 km/h bis zu 113 km weit fahren. Es war ein Zweisitzer, denn für mehr war kein Platz mehr, da der nötige Treibstoff in zwei großen Wasserstoff- und Sauerstofftanks gelagert wurde, die sich hinten im Lastwagen befanden. Es wurde nur ein einziger Lieferwagen gebaut, und sein Preis war unerschwinglich.

In den 80er Jahren wurden Brennstoffzellen für Weltraumanwendungen zurückgebracht, wie sie beispielsweise im Space Shuttle enthalten sind. Aber Abschluss des Apollo-Programms es veranlasste viele Brennstoffzellen-Experten der NASA, zu privaten Unternehmen zu gehen, wo sie ihre Entwicklungen fortsetzten, um in späteren Jahrzehnten einige Früchte zu tragen.

Fahrzeug mit Wasserstoffverbrennung

El Fahrzeug mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor, im Englischen auch HICEV genannt, ist eine Art Wasserstofffahrzeug, das nicht mit einem Fahrzeug verwechselt werden sollte, das eine Brennstoffzelle verwendet. In diesem Fall sprechen wir nicht mehr von einem Elektrofahrzeug, sondern von einem Verbrennungsmotor wie Benziner oder Diesel.

Während Brennstoffzellenfahrzeuge eine elektrochemische Reaktion verwenden, um Strom für den Antrieb von Elektromotoren zu erzeugen, verwenden Verbrennungsfahrzeuge einen ähnlichen Kreislauf wie fossile Brennstoffe. Tatsächlich handelt es sich um eine Modifikation herkömmlicher Verbrennungsmotoren.

Nur werden in diesem Fall statt Luft Sauerstoff und Brennstoff für die Verbrennung bereitzustellen, Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, um die explosive Reaktion zu erzeugen, die die Zylinderkolben bewegt. Der Unterschied besteht darin, dass bei dieser Reaktion im Auspuffrohr kein CO2, Kohlenwasserstoffe oder andere Schadstoffe entstehen, wie bei fossilen Brennstoffen. In diesem Fall wird also nur Wasser erzeugt Die Emissionen dieser Fahrzeuge liegen nahe bei Null.

Und sie sind aus einem bestimmten Grund nicht ganz null, und das liegt daran, dass der Wasserstoff in Kraftstofftanks zwar rein ist, aber im Fall von Luft etwas mehr als Sauerstoff enthält, wie Sie sehr wohl wissen. Aus diesem Grund könnten einige dieser in der Luft vorhandenen Gase mit Wasserstoff reagieren und Stickoxide oder NOx emittieren. Allerdings sind diese Emissionen deutlich unproblematischer als die anderer Kraftstoffe.

Schadstoffemissionen und andere Probleme

Während diese Fahrzeuge haben den Vorteil, nicht durch Zyklen wie Brennstoffzelle eingeschränkt zu seinNeben anderen großen Vorteilen haben sie weiterhin das gleiche Problem der Wasserstofferzeugung und -speicherung wie die Brennstoffzellensysteme. Es ist notwendig, die Emissionen dieser Fahrzeuge hervorzuheben.

Nun, die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff produziert als einziges Produkt Wasserdampf, das zu den Treibhausgasen gehört, kann jedoch zur Speicherung aufgefangen und beim Abkühlen als Wasser verflüssigt werden.

2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

Stattdessen, wie gesagt, die luft hat mehr als sauerstoff. Hier liegt das Problem, denn durch die Kombination von Wasserstoff und Stickstoff kann das berühmte NOx entstehen, das ich oben erwähnt habe. Deshalb können sie nicht als emissionsfrei bezeichnet werden. Das heißt, die Formel der chemischen Reaktion würde in Wirklichkeit eher so aussehen:

H ₂ + O ₂ + N ₂ → H. ₂ O + NEIN _x

Andererseits muss berücksichtigt werden, dass Motoren nicht perfekt sind, und etwas Schmiermittel könnte in den Brennraum gelangen wie es auch bei Benzin- oder Dieselmotoren vorkommt. In diesem Fall könnten die Abgase aufgrund der Verbrennung auch Öl oder Ölnebenprodukte enthalten.

Darüber hinaus, wie ich im ersten Absatz dieses Abschnitts angedeutet habe, die Wasserstoff stellt ein weiteres Problem dar, und es ist Ihr sicherer Speicher. Denken Sie daran, dass sich Wasserstoff im Vergleich zu anderen Kraftstoffen leicht entzündet. Wenn daher das Wasserstoffgas entweicht oder ein Unfall passiert, findet bei Kontakt mit Luft eine sehr starke Explosionsreaktion statt.

Nachrüstung bestehender Motoren

Die diferencias eines konventionellen Verbrennungsmotors und eines Benzin- oder Dieselmotors konzentrieren sich insbesondere auf Aspekte wie:

• Ventile und Ventilsitze gehärtet.
• Stärkere Pleuel als bei herkömmlichen Motoren.
• Die Mischung eines Kraftstoffmotors hat ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 29 % Wasserstoff und 71 % Luft und erzeugt je nach Typ bis zu 15 % mehr Leistung als Benzinmotoren oder 15 % weniger.
• Die Luft und der Kraftstoff (Wasserstoff) werden bei dieser Art von Motoren nicht vorher gemischt, sondern der Brennraum wird nur mit Luft gefüllt und dann wird der Wasserstoff hineingespritzt. Andernfalls würde die Explosion außerhalb des Zylinders stattfinden.
• Zündkerzen mit Nicht-Platin-Spitzen.
• Zündspule mit höherer Spannung.
• Kraftstoffinjektoren, die für Gas anstelle von Flüssigkeit angepasst werden müssen.
• Größerer Kurbelwellendämpfer.
• Stärkere Kopfdichtung.
• Modifizierter Ansaugkrümmer für den Kompressor.
• Überdrucklader.
• Hochtemperatur-Motoröl.

Das heißt, indem Sie diese tun Modifikationen an einem herkömmlichen Benzinmotor Er könnte perfekt an den Betrieb mit Wasserstoff angepasst werden, was ein weiterer großer Vorteil ist, da er in der Lage ist, die derzeit für diesen Motortyp entwickelte Technologie zu nutzen oder klassische Motoren so zu modifizieren, dass sie mit einem umweltfreundlicheren Kraftstoff betrieben werden können.

Geschichte

Wasserstoff-Verbrennungsmotoren wurden erstmals 1806 von entworfen François Isaac de Rivaz. Der erste war als De Rivaz-Motor bekannt, der mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wurde. Später, im Jahr 1863, produzierte Étienne Lenoir auch das Hippomobil, ein weiteres Wasserstofffahrzeug.

1970 fand auch ein weiteres wichtiges Ereignis statt, und zwar, dass Paul Dieges die Art und Weise patentieren ließ Benzin-Verbrennungsmotoren modifizieren mit Wasserstoff zu fahren. Das gleiche Datum, seit die Universität Tokio diesen Motoren Bedeutung beimaß und begann, Technologien im Zusammenhang mit diesen Motoren zu entwickeln und die Fahrzeuge der Zukunft anzutreiben, sowohl Autos, Lastwagen, Flugzeuge, Schiffe usw.

Wie Sie wissen, die Japanischer Hersteller Mazda entwickelte einen Wankelmotor, der Wasserstoff als Kraftstoff verwendete. Der Vorteil der Verwendung dieses Wankel-ICE besteht darin, dass die Modifikation, die dieser Motor benötigt, viel geringer ist als die, die bei anderen alternativen ICEs erforderlich ist. Andere japanische Hersteller haben sich ebenfalls Wasserstoffautos angeschlossen und setzen auf große Wetten, wie im Fall von Toyota.

Zwischen 2005 und 2007 gab es auch in Europa einen wichtigen Schritt, als BMW sein erstes Luxusauto testete, das mit Wasserstoff betrieben wurde. Es dreht sich alles um das Modell BMW Wasserstoff 7, der eine Höchstgeschwindigkeit von 301 km/h erreichen konnte, war geräumiger als bisherige Konzepte und hatte eine große Reichweite. Von hier aus begannen andere europäische Industrien mit ihren Industrie- und Zivilfahrzeugen dasselbe zu tun.

Vor- und Nachteile von Wasserstoffmotoren

Natürlich hat die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff seine Vor- und Nachteile Was werden wir hier sehen:

Vorteil

• Wenn der Wasserstoff grün ist, kann er ein sehr sauberer und umweltfreundlicher Brennstoff sein, da die Emissionen null oder fast vernachlässigbar sind und eines der nach der Reaktion entstehenden Produkte H2O oder Wasser ist.
• Sie sind Motoren mit effizienteren Technologien. In fast 200 Jahren Entwicklung hat es dieser Motor geschafft, mit einem Wirkungsgrad von 80% seine maximale Leistung und Optimierung zu erreichen. Das heißt, 80 % des Wasserstoffs werden zur Traktionserzeugung verwendet. Bei Motoren mit fossilen Brennstoffen kann dieser Wirkungsgrad in vielen Fällen zwischen 20 und 40 % variieren.
• Es kann auch für schwere Transportmittel wie Schiffe, Züge usw. verwendet werden.

Nachteile

• Handelt es sich um grauen Wasserstoff, verunreinigt er bei seiner Herstellung. Leider ist ein hoher Prozentsatz des derzeitigen Wasserstoffs grau, da er am billigsten durch Verbrennung fossiler Brennstoffe oder Gas hergestellt werden kann. Es gibt aber auch blauen Wasserstoff und grünen Wasserstoff, wobei grün derjenige ist, der emissionsfrei produziert wird, da er für seine Herstellung erneuerbare Energie nutzt und die Zukunft ist.
• Es ist ein gefährliches Gas zu handhaben. Sowohl die Lagerung als auch der Transport sind gefährlich. Sie brauchen Tanks, die hohen Drücken standhalten und Unfällen widerstehen können, da es sonst im Kontakt mit der Luft zu sehr heftigen Reaktionen kommt, die das Leben der Besatzung beenden können.
• Es gibt keine große Infrastruktur, um Wasserstoff zu tanken, und auch keine für Plug-in-Elektrofahrzeuge. In diesem Sinne müssen sie weiter gehen, um zu den bestehenden Tankstellen aufzuschließen.