fuel cell kumpara sa hydrogen engine

Sa teknolohiya ng hydrogen Iba't ibang uri ng makina ang lumitaw. Sa isang banda mayroon tayo mga sasakyang hydrogen na gumagamit ng fuel cell upang makabuo ng enerhiya na kailangan para umikot at sa kabilang banda ay mayroon tayong mga hydrogen combustion engine. Ito ay nagtataas ng maraming mga katanungan, ngunit ang mga ito ay ibang-iba.

Dapat mong malaman kung ano ang mga ito pagkakaiba at operasyon sa dalawang lubhang magkaibang aspetong ito, ngunit gumagamit ng parehong gasolina para gumana...

Mga sasakyan ng hydrogen fuel cell

Los mga fuel cell na sasakyan, na kilala rin bilang mga FCV o FCEV, ay isang uri ng de-kuryenteng sasakyan na gumagamit ng fuel cell bilang pinagmumulan ng enerhiya na ginagamit upang paandarin ang mga makina nito o para mag-imbak ng enerhiya sa isang baterya upang magamit ito kapag kinakailangan.

mga fuel cell makabuo ng kuryente sa pangkalahatan gamit ang oxygen mula sa hangin at compressed hydrogen sa mga tangke. Gayunpaman, may iba pang mga fuel cell na maaaring gumamit ng iba pang mga elemento upang makabuo ng kuryente, ngunit dito kami ay interesado lamang sa hydrogen.

Ang mga sasakyang ito ay nagkonsentra ng mga pollutant sa produksyon ng hydrogen sa lugar kung saan ginawa ang hydrogen (o sa panahon ng transportasyon at pag-iimbak ng hydrogen, na maaari ding bumuo ng mga pollutant mula sa mga trak at iba pang makinang kasangkot), kung ito ay hindi hydrogen. berde. Ibig sabihin, ang mga sasakyang ito mismo huwag maglabas ng anumang uri ng pollutant habang sila ay umiikot.

Ang lahat ng mga fuel cell ay binubuo ng tatlong pangunahing bahagi:

• Electrolyte: ay isang substance na naglalaman ng mga libreng ion sa komposisyon nito, na nagiging sanhi upang kumilos ito bilang isang electrical conductor.
• Anode: Ito ay isang elektrod o terminal ng baterya na gumagawa ng reaksyon ng oksihenasyon kung saan nawawala ang mga electron. Samakatuwid, ito ay kumikilos bilang isang positibong poste.
• Cathode: Ito ay isang electrode o terminal ng baterya na sumasailalim sa reduction reaction, iyon ay, isang reaksyon kung saan ito ay tumatanggap ng mga electron. Samakatuwid, ito ay kumikilos bilang isang negatibong poste.

Sa ganitong paraan, a hydrogen fuel cell Gumagana ito tulad ng isang maginoo na baterya, na gumagawa ng elektrikal na enerhiya upang paganahin ang motor o iimbak ito sa isang baterya. Gayunpaman, habang kailangang i-charge ang baterya, ang fuel cell ay papaganahin ng gasolina, sa kasong ito ay hydrogen.

pinakamalaking hamon

Isa sa mga pinakamalaking hamon Ang ganitong uri ng mga mukha ng sasakyan ay ang katotohanan ng pangangailangan ng napakaligtas na mga tangke ng imbakan upang makayanan ang mataas na presyon at maiwasan ang mga pagtagas sa kaganapan ng isang aksidente na maaaring makabuo ng mga napakarahas na reaksyon. Siyempre, ang imprastraktura ng refueling ay hindi rin laganap, at mahirap makahanap ng mga hydrogen refueling point.

Sa lahat ng ito, dapat nating idagdag na ang mga unang disenyo ng fuel cell ay mayroong a paglilingkod sa buhay nabawasan, kahit na may ilang pag-unlad sa bagay na ito. Halimbawa, ang polymer electrolyte membrane, o PEM, na mga cell ay maaaring magkaroon ng hanggang 7300 oras sa ilalim ng mga kondisyon ng pagbibisikleta.

Sa kabilang banda, dapat tandaan na ang hydrogen fuel cells medyo mahal sila upang makagawa, dahil ang mga mamahaling materyales ay ginagamit, tulad ng platinum, na nagsisilbing isang katalista. Higit pa rito, kailangan ding gawin at ligtas na maimbak ang hydrogen, na ginagawang mas mahal din ang teknolohiyang ito. Sa kabutihang palad, ang mga bagong hydrogen fuel cell na gumagamit ng nanoparticle ay kasalukuyang binuo, na nangangailangan ng mas kaunting platinum at mas mababang gastos.

kasaysayan

Ang konsepto ng fuel cell ay isang phenomenon na unang ipinakita noong 1801, ni Humphry Davy. Gayunpaman, ang imbensyon ay dahil sa William Grove. Sa pamamagitan ng mga eksperimento ni Grove sa tinatawag niyang "gas voltaic battery," ipinakita nila na posibleng makagawa ng kapangyarihan mula sa hydrogen gas at oxygen. Ito ay noong 1842 pinatunayan niya ang electrochemical reaction sa pagitan ng hydrogen at oxygen sa isang platinum catalyst.

Mamaya ang engineer Francis Thomas Bacon pinagbuti niya ang gawain ni Grove sa pamamagitan ng paglikha ng iba't ibang alkaline fuel cell sa pagitan ng 1939 at 1959. Ang unang sasakyan na gumamit ng mga fuel cell na ito ay isang binagong traktor ng sakahan ng Allis-Chalmers noong panahong iyon, na gumagawa ng hanggang 15 kW ng kapangyarihan.

La cold war space race ito rin ay isang mahusay na tulong para sa mga teknolohiyang ito ng fuel cell na gagamitin sa mga misyon sa kalawakan upang makagawa ng kuryente. Ito ay isang pambihirang tagumpay, gamit ito sa Apollo capsules at lunar modules, bukod sa iba pa.

Gayunpaman, hindi ito magiging hanggang 1966, nang binuo ng General Motors ang unang sasakyan sa kalsada na gumamit ng fuel cell. ay ang sikat chevrolet electric van. Ang sasakyang ito ay mayroong PEM fuel cell at maaaring maglakbay ng hanggang 193 km na may pinakamataas na bilis na 113 km/h. Ito ay isang dalawang upuan, dahil walang puwang para sa higit pa, dahil ang kinakailangang gasolina ay nakaimbak sa dalawang malalaking tangke ng hydrogen at oxygen na sumasakop sa likod ng trak. Isang van lamang ang ginawa, at ang presyo nito ay napakataas.

Noong 80s, ang mga fuel cell ay ibinalik para sa mga aplikasyon sa espasyo, tulad ng mga kasama sa Space Shuttle. Pero pagsasara ng Apollo Program naging sanhi ito ng maraming eksperto sa fuel cell ng NASA na pumunta sa mga pribadong kumpanya, kung saan ipinagpatuloy nila ang kanilang mga pag-unlad upang magbunga sa mga susunod na dekada.

sasakyan ng hydrogen combustion

El hydrogen internal combustion engine na sasakyan, tinatawag ding HICEV sa pamamagitan ng acronym nito sa English, ay isang uri ng hydrogen vehicle na hindi dapat ipagkamali sa gumagamit ng fuel cell. Sa kasong ito, hindi na de-kuryenteng sasakyan ang pinag-uusapan, kundi isang combustion engine tulad ng gasolina o diesel.

Habang ang mga fuel cell na sasakyan ay gumagamit ng electrochemical reaction upang makabuo ng kuryente para mapagana ang mga de-koryenteng motor, ang mga combustion na sasakyan ay gumagamit ng cycle na katulad ng sa mga fossil fuel. Sa katunayan, ito ay isang pagbabago ng maginoo na panloob na combustion engine.

Lamang, sa kasong ito, sa halip na gumamit ng hangin upang magbigay ng oxygen at gasolina para sa pagkasunog, ang hydrogen at oxygen ay ginagamit upang makabuo ng sumasabog na reaksyon na magpapagalaw sa mga cylinder piston. Ang kaibahan ay sa panahon ng reaksyong ito, ang CO2, hydrocarbons, o iba pang polluting particle ay hindi nagagawa sa exhaust pipe, tulad ng sa fossil fuels. Sa kasong ito, tubig lamang ang nabuo, kaya ang mga emisyon mula sa mga sasakyang ito ay malapit sa zero.

At hindi sila ganap na zero para sa isang kadahilanan, at iyon ay, habang ang hydrogen sa mga tangke ng gasolina ay dalisay, sa kaso ng hangin, mayroon itong higit pa sa oxygen, tulad ng alam mo. Para sa kadahilanang ito, ang ilan sa mga gas na ito na nasa hangin ay maaaring tumugon sa hydrogen at naglalabas ng nitrogen oxides o NOx. Gayunpaman, ang mga emisyon na ito ay hindi gaanong problema kaysa sa iba pang mga gasolina.

Nakakaduming mga emisyon at iba pang problema

Habang ang mga sasakyang ito may kalamangan na hindi nalilimitahan ng mga cycle tulad ng fuel cellBilang karagdagan sa iba pang mahusay na mga pakinabang, patuloy silang nagkakaroon ng parehong problema sa produksyon at imbakan ng hydrogen na mayroon ang mga fuel cell system. Kinakailangang i-highlight kung ano ang mga emisyon ng mga sasakyang ito.

Well, ang pagkasunog ng hydrogen na may oxygen gumagawa ng singaw ng tubig bilang ang tanging produkto, na isa sa mga greenhouse gas, gayunpaman, ay maaaring makuha para sa imbakan at tunawin bilang tubig kapag pinalamig.

2H ₂ +O ₂ → 2H ₂ O

Sa halip, gaya ng sinabi natin, ang hangin ay may higit pa sa oxygen. Dito nagmumula ang problema, dahil sa pagsasama ng hydrogen at nitrogen, ang sikat na NOx na nabanggit ko sa itaas ay maaaring gawin. Kaya naman hindi sila matatawag na zero emissions. Iyon ay, ang pormula ng kemikal na reaksyon ay magiging katulad nito sa katotohanan:

H ₂ +O ₂ + N ₂ →H ₂ O + HINDI _x

Sa kabilang banda, dapat itong isaalang-alang na ang mga makina ay hindi perpekto, at ang ilang lubricant ay maaaring makapasok sa combustion chamber tulad din ng nangyayari sa mga makina ng gasolina o diesel. Sa kasong ito, ang mga maubos na gas ay maaari ding maglaman ng langis o mga by-product ng langis dahil sa pagkasunog.

Bilang karagdagan, tulad ng ipinahiwatig ko sa unang talata ng seksyong ito, ang Ang hydrogen ay nagpapakita ng isa pang problema, at ito ang iyong ligtas na imbakan. Tandaan na ang hydrogen ay madaling mag-apoy kumpara sa iba pang panggatong. Samakatuwid, kung ang hydrogen gas ay nakatakas o isang aksidente ang nangyari, kapag ito ay nakipag-ugnayan sa hangin, isang napakalakas na pagsabog na reaksyon ang magaganap.

Pag-retrofit ng mga umiiral na makina

ang pagkakaiba ng isang conventional ICE engine at isang gasolina o diesel engine ay partikular na nakatuon sa mga aspeto tulad ng:

• Tumigas ang mga valve at valve seat.
• Mas malakas na connecting rods kaysa sa mga tradisyunal na makina.
• Ang halo ng isang fuel engine ay magkakaroon ng air/fuel ratio na 29% hydrogen at 71% air, na bumubuo ng lakas na maaaring hanggang 15% na higit pa kaysa sa mga gasoline engine, o 15% na mas mababa, depende sa uri. .
• Ang hangin at ang gasolina (hydrogen), sa ganitong uri ng mga makina ay hindi pinaghalo bago, ngunit ang silid ng pagkasunog ay mapupuno lamang ng hangin at pagkatapos ay ang hydrogen ay itusok dito. Kung hindi, ang pagsabog ay mangyayari sa labas ng silindro.
• Mga spark plug na may mga tip na hindi platinum.
• Mas mataas na boltahe ignition coil.
• Mga fuel injector na dapat iakma para sa gas sa halip na likido.
• Mas malaking crankshaft damper.
• Mas malakas na head gasket.
• Binagong intake manifold para sa supercharger.
• Supercharger ng positibong presyon.
• Mataas na temperatura ng langis ng makina.

Iyon ay, sa pamamagitan ng paggawa ng mga ito mga pagbabago sa isang maginoo na makina ng gasolina Ito ay maaaring ganap na iakma upang tumakbo sa hydrogen, na isa pang mahusay na bentahe, ang kakayahang samantalahin ang kasalukuyang teknolohiya na binuo para sa ganitong uri ng makina o baguhin ang mga klasikong makina upang ito ay tumakbo sa isang mas environment friendly na gasolina.

kasaysayan

Ang hydrogen internal combustion engine ay unang idinisenyo noong 1806 ni Francois Isaac de Rivaz. Ang una ay kilala bilang De Rivaz engine, na gumamit ng pinaghalong hydrogen at oxygen para tumakbo. Nang maglaon, noong 1863, ginawa rin ni Étienne Lenoir ang Hippomobile, isa pang sasakyang hydrogen.

Noong 1970 isa pang mahalagang kaganapan ang naganap, at iyon ay ang patente ni Paul Dieges sa paraan kung saan baguhin ang gasoline internal combustion engine upang tumakbo sa hydrogen. Parehong petsa mula noong binigyan ng kahalagahan ng Unibersidad ng Tokyo ang mga makinang ito at nagsimulang bumuo ng mga teknolohiyang nauugnay sa mga makinang ito at magmaneho ng mga sasakyan sa hinaharap, parehong mga kotse, trak, eroplano, barko, atbp.

Tulad ng alam mo, ang Ang tagagawa ng Hapon na Mazda bumuo ng isang Wankel-type na makina na gumamit ng hydrogen bilang gasolina. Ang bentahe ng paggamit ng Wankel ICE na ito ay ang pagbabago na kailangan ng makina na ito ay mas mababa kaysa sa kailangan ng iba pang mga alternatibong ICE. Ang iba pang mga tagagawa ng Hapon ay sumali din sa mga kotse ng hydrogen, na tumaya nang malaki, tulad ng sa kaso ng Toyota.

Sa pagitan ng 2005 at 2007, sa Europa, nagkaroon din ng isang mahalagang hakbang, nang sinubukan ng BMW ang unang luxury car nito na tumatakbo sa hydrogen. Ito ay tungkol sa modelo BMW Hydrogen 7, na maaaring umabot sa pinakamataas na bilis na 301 km/h, ay mas maluwang kaysa sa mga nakaraang konsepto, at may mahabang hanay. Mula dito, nagsimulang gawin din ang iba pang industriya ng Europa sa kanilang mga sasakyang pang-industriya at sibil.

Mga kalamangan at kawalan ng mga makina ng hydrogen

Siyempre, ang paggamit ng hydrogen bilang isang gasolina ay mayroon mga kalamangan at dehado nito Ano ang makikita natin dito:

Kalamangan

• Kung ang hydrogen ay berde, maaari itong maging isang napakalinis at environment friendly na gasolina, dahil ang mga emisyon ay zero o halos bale-wala, at isa sa mga produkto na ginawa pagkatapos ng reaksyon ay H2O o tubig.
• Ang mga ito ay mga makina na may mas mahusay na teknolohiya. Sa halos 200 taon ng pag-unlad, ang motor na ito ay nakamit ang pinakamataas na pagganap at pag-optimize nito, na may kahusayan na 80%. Iyon ay, 80% ng hydrogen ay ginagamit upang makabuo ng traksyon. Habang sa mga fossil fuel engine ang kahusayan na ito ay maaaring mag-iba sa pagitan ng 20 at 40% sa maraming mga kaso.
• Maaari rin itong gamitin para sa mabigat na transportasyon tulad ng mga barko, tren, atbp.

Disadvantages

• Kung ito ay kulay abong hydrogen, nakakahawa ito sa paggawa nito. Sa kasamaang palad, ang isang mataas na porsyento ng kasalukuyang hydrogen ay kulay abo, dahil ito ang pinakamurang gawin sa pamamagitan ng pagsunog ng mga fossil fuel o gas. Gayunpaman, mayroon ding asul na hydrogen at berdeng hydrogen, ang berde ay ang isa na ginawa nang walang mga emisyon, dahil gumagamit ito ng nababagong enerhiya para sa produksyon nito at ang hinaharap.
• Ito ay isang mapanganib na gas na hawakan. Parehong mapanganib ang imbakan nito at ang transportasyon nito. Kailangan mo ng mga tangke na makatiis sa matataas na presyon at makatiis sa mga aksidente, dahil kung hindi man ay magaganap ang mga napakarahas na reaksyon kapag nakikipag-ugnayan sa hangin na maaaring magtapos sa buhay ng mga tripulante.
• Walang mahusay na imprastraktura upang mag-refuel ng hydrogen, at wala ring isa para sa mga plug-in na electric. Sa ganitong diwa, kailangan nilang pumunta pa upang makahabol sa mga umiiral na istasyon ng gasolina.