gorivne celice proti motorju na vodik

Z vodikova tehnologija Pojavile so se različne vrste motorjev. Na eni strani imamo vozila na vodik ki uporabljajo gorivne celice za proizvodnjo energije, potrebne za kroženje, na drugi pa imamo motorje z zgorevanjem vodika. To odpira veliko vprašanj, ki pa so zelo različna.

Moral bi vedeti, kaj so to razlike in delovanje teh dveh izjemno različnih vidikov, ki pa za delovanje uporabljata isto gorivo...

Vozila na vodikove gorivne celice

P vozila na gorivne celice, znana tudi kot FCV ali FCEV, so vrsta električnega vozila, ki uporablja gorivne celice kot vir energije, ki se uporablja za pogon njegovih motorjev ali za shranjevanje energije v bateriji, da jo uporabi, ko je to potrebno.

gorivne celice proizvajajo električno energijo na splošno z uporabo kisika iz zraka in stisnjenega vodika v rezervoarjih. Vendar pa obstajajo tudi druge gorivne celice, ki lahko uporabljajo druge elemente za proizvodnjo električne energije, vendar nas tukaj zanima samo vodik.

Ta vozila koncentrirajo onesnaževala iz proizvodnje vodika na mestu, kjer se vodik proizvaja (ali med prevozom in skladiščenjem vodika, ki lahko povzroči tudi onesnaževala iz tovornjakov in drugih vključenih motorjev), če ne gre za vodik.zeleno. Se pravi ta vozila sama ne oddajajo nobenih onesnaževal medtem ko krožijo.

Vse gorivne celice so sestavljene iz tri temeljne dele:

• Elektrolit: je snov, ki v svoji sestavi vsebuje proste ione, zaradi česar se obnaša kot električni prevodnik.
• Anoda: To je elektroda ali terminal baterije, ki povzroči oksidacijsko reakcijo, skozi katero izgublja elektrone. Zato se obnaša kot pozitivni pol.
• katoda: Je elektroda ali terminal baterije, ki je podvržen redukcijski reakciji, to je reakciji, s katero sprejema elektrone. Zato se obnaša kot negativni pol.

Na ta način se a vodikove gorivne celice Deluje kot običajna baterija, ki proizvaja električno energijo za napajanje motorja ali jo shranjuje v bateriji. Medtem ko je baterijo treba napolniti, bo gorivno celico napajalo gorivo, v tem primeru vodik.

največji izzivi

Eden največji izzivi Ta vrsta vozil se sooča z dejstvom, da potrebujejo zelo varne rezervoarje za shranjevanje, da prenesejo visoke pritiske in preprečijo puščanje v primeru nesreče, ki bi lahko povzročila zelo burne reakcije. Seveda tudi infrastruktura za oskrbo z gorivom ni razširjena in je težko najti postaje za oskrbo z vodikom.

K vsemu temu moramo dodati, da so prve zasnove gorivnih celic imele življenjska služba zmanjšala, čeprav je bil v zvezi s tem dosežen določen napredek. Celice s polimerno elektrolitno membrano ali PEM imajo lahko na primer do 7300 ur v pogojih cikliranja.

Po drugi strani pa je treba opozoriti, da vodikove gorivne celice so relativno dragi za proizvodnjo, saj se uporabljajo dragi materiali, kot je platina, ki deluje kot katalizator. Poleg tega je treba vodik tudi proizvajati in varno skladiščiti, kar tudi draži to tehnologijo. Na srečo se trenutno razvijajo nove vodikove gorivne celice z uporabo nanodelcev, ki zahtevajo veliko manj platine in nižje stroške.

zgodovina

Koncept gorivnih celic je bil pojav, ki ga je leta 1801 prvič predstavil Humphry Davy. Vendar pa je izum posledica William Grove. Skozi Groveove poskuse na tem, kar je imenoval "plinska voltaična baterija," so dokazali, da je mogoče proizvesti energijo iz vodika in kisika. Leta 1842 je dokazal elektrokemično reakcijo med vodikom in kisikom na platinskem katalizatorju.

Kasneje inženir Francis Thomas Bacon je izboljšal Groveovo delo z ustvarjanjem različnih alkalnih gorivnih celic med letoma 1939 in 1959. Prvo vozilo, ki je uporabljalo te gorivne celice, je bil modificiran kmetijski traktor Allis-Chalmers tistega časa, ki je proizvedel do 15 kW moči.

La vesoljska dirka hladne vojne to je bila tudi velika spodbuda za uporabo teh tehnologij gorivnih celic v vesoljskih misijah za proizvodnjo električne energije. To je bil preboj, saj so ga med drugim uporabili v kapsulah Apollo in lunarnih modulih.

Vendar pa šele leta 1966 je General Motors razvil prvo cestno vozilo, ki je uporabljalo gorivne celice. je bil slaven električni kombi chevrolet. To vozilo je imelo gorivne celice PEM in je lahko prevozilo do 193 km z največjo hitrostjo 113 km/h. Bil je dvosed, saj za več ni bilo prostora, saj je bilo potrebno gorivo shranjeno v dveh velikih rezervoarjih za vodik in kisik, ki sta zasedla zadnji del tovornjaka. Izdelan je bil le en kombi, njegova cena pa je bila previsoka.

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja so bile gorivne celice vrnjene za uporabo v vesolju, kot so tiste, ki so bile vključene v raketoplan Space Shuttle. Ampak zaprtje programa Apollo povzročilo je, da so številni Nasini strokovnjaki za gorivne celice odšli v zasebna podjetja, kjer so nadaljevali svoj razvoj, ki je obrodil nekaj sadov v kasnejših desetletjih.

vozilo z zgorevanjem vodika

El vozilo z motorjem z notranjim zgorevanjem na vodik, imenovan tudi HICEV po akronimu v angleščini, je vrsta vozila na vodik, ki ga ne smemo zamenjevati s tistim, ki uporablja gorivne celice. V tem primeru ne govorimo več o električnem vozilu, temveč o motorju z notranjim zgorevanjem, kot je bencin ali dizel.

Medtem ko vozila na gorivne celice uporabljajo elektrokemično reakcijo za proizvodnjo električne energije za pogon električnih motorjev, vozila z notranjim zgorevanjem uporabljajo cikel, podoben ciklu fosilnih goriv. Pravzaprav gre za modifikacijo običajnih motorjev z notranjim zgorevanjem.

Le da se v tem primeru namesto zraka za zagotovitev kisika in goriva za zgorevanje uporabljata vodik in kisik za ustvarjanje eksplozivne reakcije, ki bo premaknila bate cilindra. Razlika je v tem, da med to reakcijo v izpušni cevi ne nastajajo CO2, ogljikovodiki ali drugi onesnažujoči delci, kot pri fosilnih gorivih. V tem primeru nastane samo voda, torej emisije teh vozil so blizu ničle.

In niso popolnoma nič z razlogom, in to je, da je vodik v rezervoarjih za gorivo čist, v primeru zraka pa ima nekaj več kot kisik, kot dobro veste. Zaradi tega lahko nekateri od teh plinov, prisotnih v zraku, reagirajo z vodikom in oddajajo dušikove okside ali NOx. Vendar so te emisije veliko manj problematične kot emisije drugih goriv.

Emisije onesnaževal in druge težave

Medtem ko ta vozila imajo prednost, da niso omejeni s cikli, kot so gorivne celicePoleg drugih velikih prednosti imajo še naprej isti problem proizvodnje in shranjevanja vodika, kot so ga imeli sistemi gorivnih celic. Treba je poudariti, kakšne so emisije teh vozil.

No, zgorevanje vodika s kisikom proizvaja vodno paro kot edini produkt, ki je eden izmed toplogrednih plinov, pa ga je mogoče zajeti za shranjevanje in ga ohladiti utekočiniti kot vodo.

2H ₂ + ALI ₂ → 2 uri ₂ O

Namesto tega, kot smo rekli, zrak ima nekaj več kot kisik. Od tod izvira težava, saj lahko z združevanjem vodika in dušika nastane slavni NOx, ki sem ga omenil zgoraj. Zato jih ne moremo imenovati brez emisij. To pomeni, da bi bila formula kemijske reakcije v resnici bolj podobna tej:

H ₂ + ALI ₂ + N. ₂ →H ₂ ALI + NE _x

Po drugi strani pa je treba upoštevati, da motorji niso popolni in nekaj maziva bi lahko prišlo v zgorevalno komoro kot se dogaja tudi pri bencinskih ali dizelskih motorjih. V tem primeru bi lahko izpušni plini vsebovali tudi olje ali oljne stranske produkte zaradi zgorevanja.

Poleg tega, kot sem navedel v prvem odstavku tega razdelka, je vodik predstavlja drugo težavo, in je vaša varna shramba. Ne pozabite, da se vodik zlahka vname v primerjavi z drugimi gorivi. Če torej vodikov plin uhaja ali pride do nesreče, bo ob stiku z zrakom prišlo do zelo močne eksplozivne reakcije.

Nadgradnja obstoječih motorjev

The razlike običajnega motorja ICE in bencinskega ali dizelskega motorja so še posebej osredotočeni na vidike, kot so:

• Ventili in sedeži ventilov kaljeni.
• Močnejše ojnice kot pri tradicionalnih motorjih.
• Mešanica motorja za gorivo bo imela razmerje zrak/gorivo 29 % vodika in 71 % zraka, kar bo ustvarilo moč, ki bo lahko do 15 % večja od bencinskih motorjev ali 15 % manj, odvisno od tipa.
• Zrak in gorivo (vodik) se pri tej vrsti motorjev predhodno ne mešata, ampak bo zgorevalna komora napolnjena samo z zrakom in nato bo vanjo vbrizgan vodik. V nasprotnem primeru bi do eksplozije prišlo zunaj jeklenke.
• Vžigalne svečke z neplatinastimi konicami.
• Višja napetost vžigalne tuljave.
• Injektorji za gorivo, ki morajo biti prilagojeni za plin namesto za tekočino.
• Večji blažilnik ročične gredi.
• Močnejše tesnilo glave.
• Spremenjen sesalni kolektor za kompresor.
• Polnilnik s pozitivnim tlakom.
• Visokotemperaturno motorno olje.

To pomeni, da s tem modifikacije običajnega bencinskega motorja Lahko bi ga popolnoma prilagodili za pogon na vodik, kar je še ena velika prednost, saj lahko izkoristi trenutno razvito tehnologijo za tovrstne motorje ali pa klasične motorje prilagodi tako, da lahko deluje na okolju prijaznejše gorivo.

zgodovina

Motorje z notranjim zgorevanjem na vodik so prvič zasnovali leta 1806 Francois Isaac de Rivaz. Prvi je bil znan kot motor De Rivaz, ki je za delovanje uporabljal mešanico vodika in kisika. Kasneje, leta 1863, je Étienne Lenoir izdelal tudi Hippomobile, drugo vozilo na vodik.

Leta 1970 se je zgodil še en pomemben dogodek in to je, da je Paul Dieges patentiral način, kako predelava bencinskih motorjev z notranjim zgorevanjem za delovanje na vodik. Isti datum, odkar je Univerza v Tokiu dala pomen tem motorjem in začela razvijati tehnologije, povezane s temi motorji in poganjati vozila prihodnosti, tako avtomobile, tovornjake, letala, ladje itd.

Kot dobro veste, je Japonski proizvajalec Mazda razvil motor Wanklovega tipa, ki je kot gorivo uporabljal vodik. Prednost uporabe tega Wankel ICE je, da je sprememba, ki jo potrebuje ta motor, veliko manjša od tiste, ki jo potrebujejo drugi alternativni ICE. Avtomobilom na vodik so se pridružili tudi drugi japonski proizvajalci, ki stavijo na veliko, kot v primeru Toyote.

Med letoma 2005 in 2007 je bil tudi v Evropi pomemben korak, ko je BMW preizkusil svoj prvi luksuzni avtomobil na vodik. Vse je odvisno od modela BMW vodik 7, ki je lahko dosegel največjo hitrost 301 km/h, je bil prostornejši od prejšnjih konceptov in je imel velik doseg. Od tu naprej so druge evropske industrije začele početi enako s svojimi industrijskimi in civilnimi vozili.

Prednosti in slabosti vodikovih motorjev

Seveda je uporaba vodika kot goriva njegove prednosti in slabosti Kaj bomo videli tukaj:

Prednost

• Če je vodik zelene barve, je lahko zelo čisto in okolju prijazno gorivo, saj so emisije nič ali skoraj zanemarljive, eden od produktov, ki nastanejo po reakciji, pa je H2O ali voda.
• So motorji z učinkovitejšimi tehnologijami. V skoraj 200 letih razvoja je ta motor uspel doseči svojo največjo zmogljivost in optimizacijo, z izkoristkom 80 %. To pomeni, da se 80 % vodika porabi za proizvodnjo oprijema. Medtem ko se lahko pri motorjih na fosilna goriva ta izkoristek v mnogih primerih giblje med 20 in 40 %.
• Lahko se uporablja tudi za težke prevoze, kot so ladje, vlaki itd.

Slabosti

• Če je sivi vodik, kontaminira pri njegovi proizvodnji. Na žalost je visok odstotek sedanjega vodika siv, saj ga je najceneje proizvesti s sežiganjem fosilnih goriv ali plina. Obstajata pa tudi modri vodik in zeleni vodik, pri čemer je zeleni tisti, ki je proizveden brez emisij, saj za svojo proizvodnjo uporablja obnovljivo energijo in je prihodnost.
• Ravnanje z njim je nevaren plin. Nevarna sta tako njegovo skladiščenje kot transport. Potrebujete rezervoarje, ki lahko prenesejo visoke pritiske in lahko prenesejo nesreče, saj se sicer v stiku z zrakom pojavijo zelo burne reakcije, ki lahko končajo življenja posadke.
• Ni velike infrastrukture za oskrbo z vodikom, niti je ni za priključne električne. V tem smislu morajo iti dlje, da dohitijo obstoječe bencinske servise.