Если вы читали статью о топливных элементах, то знаете, что они производят электричество из водорода и кислорода, а выделяют только пар. Основная проблема с водородными топливными элементами связана с хранением и распределением водорода. Подробнее см. Как работает водородная экономика.
Водородный газ не является очень энергоемким топливом, а это означает, что он содержит мало энергии на единицу объема по сравнению с жидким топливом, таким как бензин или метанол. Таким образом, трудно разместить достаточное количество газообразного водорода в автомобиле, работающем на топливных элементах, чтобы обеспечить разумную дальность пробега. Жидкий водород имеет хорошую плотность энергии, но его необходимо хранить при чрезвычайно низких температурах и высоких давлениях; это затрудняет его хранение и транспортировку.
Распространенные виды топлива, такие как природный газ, пропан и бензин, и менее распространенные, такие как метанол и этанол, содержат водород в своей молекулярной структуре. Если бы существовала технология, позволяющая извлекать водород из этих видов топлива и использовать его для питания топливных элементов, проблема хранения и распределения водорода была бы почти полностью решена.
Эта технология находится в разработке. Он называется топливным процессором. , или реформатор . В этом выпуске HowStuffWorks , мы узнаем, как работает паровой риформинг работает.
Содержание
Работа топливного процессора заключается в обеспечении топливного элемента относительно чистым водородом с использованием легкодоступного или легко транспортируемого топлива. Переработчики топлива должны иметь возможность делать это эффективно и с минимальным загрязнением окружающей среды, иначе они сведут на нет преимущества использования топливных элементов.
Для автомобилей основной проблемой является накопление энергии. . Чтобы избежать больших и тяжелых резервуаров под давлением, жидкое топливо предпочтительнее газа. Компании работают над топливными процессорами для жидкого топлива, такого как бензин и метанол. Метанол является наиболее перспективным топливом в краткосрочной перспективе; его можно хранить и распределять почти так же, как сейчас бензин.
Для домов и стационарных электростанций предпочтительны такие виды топлива, как природный газ или пропан. Многие электростанции и дома уже подключены к газопроводу. А в некоторых домах, не подключенных к газовым линиям, есть баллоны с пропаном. Поэтому имеет смысл преобразовать это топливо в водород для использования в стационарных топливных элементах.
И метанол, и природный газ можно преобразовать в водород в установке парового риформинга. .
Существует несколько типов установок парового риформинга, один из которых для риформинга метанола. и другой риформинг природный газ .
Молекулярная формула метанола:CH 3 ОН . Цель установки риформинга - удалить как можно больше водорода (H ) из этой молекулы, сводя при этом к минимуму выброс загрязняющих веществ, таких как монооксид углерода (CO ). Процесс начинается с испарения жидкого метанола и воды. Для этого используется тепло, выделяющееся в процессе риформинга. Эта смесь метанола и водяного пара проходит через нагретую камеру, содержащую катализатор.
Попадая на катализатор, молекулы метанола распадаются на монооксид углерода (CO ) и газообразный водород (H 2 ):
Водяной пар распадается на газообразный водород и кислород; этот кислород соединяется с CO с образованием CO2 . Таким образом, высвобождается очень мало CO, так как большая его часть превращается в CO2. .
Природный газ, состоящий в основном из метана (CH 4 ), обрабатывается с использованием аналогичной реакции. Метан в природном газе реагирует с водяным паром с образованием угарного газа и газообразного водорода.
Как и при риформинге метанола, водяной пар разделяется на газообразный водород и кислород, причем кислород соединяется с CO с образованием CO2 .
Ни одна из этих реакций не совершенна; некоторое количество метанола или природного газа и угарного газа проходит без реакции. Их сжигают в присутствии катализатора с небольшим количеством воздуха для подачи кислорода. Это преобразует большую часть оставшегося CO в CO2. , а оставшийся метанол в CO2 и вода. Различные другие устройства могут использоваться для очистки любых других загрязняющих веществ, таких как сера, которые могут быть в выхлопном потоке.
Важно удалить угарный газ из выхлопного потока по двум причинам:во-первых, если CO проходит через топливный элемент, производительность и срок службы топливного элемента снижаются; во-вторых, это регулируемый загрязнитель, поэтому автомобили могут производить его только в небольших количествах.
Для создания энергии несколько систем должны работать вместе, чтобы обеспечить требуемую электрическую мощность. Типичная система состоит из электрической нагрузки. (например, дом или электродвигатель), топливный элемент и топливный процессор .
Возьмем случай с автомобилем на топливных элементах. Когда вы нажимаете на педаль газа (водорода), примерно одновременно происходит несколько вещей:
Аналогичная последовательность событий происходит в вашем доме, когда вы внезапно увеличиваете потребление электроэнергии. Например, когда включается кондиционер, выходная мощность топливного элемента должна быстро увеличиваться, иначе свет будет гаснуть, пока топливный элемент не удовлетворит потребность.
Топливные процессоры также имеют недостатки, в том числе загрязнение окружающей среды и общая экономия топлива .
Хотя топливные процессоры могут подавать газообразный водород в топливный элемент, производя при этом гораздо меньше загрязнения, чем двигатель внутреннего сгорания, они по-прежнему производят значительное количество углекислого газа (CO2 ). Хотя этот газ не является регулируемым загрязнителем, предполагается, что он способствует глобальному потеплению.
Если в топливном элементе используется чистый водород, единственным побочным продуктом является вода (в виде пара). Нет CO2 или любой другой газ испускается. Но поскольку автомобили на топливных элементах, использующие топливные процессоры, выделяют небольшое количество регулируемых загрязняющих веществ, таких как угарный газ, они не могут быть квалифицированы как автомобили с нулевым уровнем выбросов. (ZEV) в соответствии с законами Калифорнии о выбросах. В настоящее время основными технологиями, которые можно назвать ZEV, являются электромобили с батарейным питанием и автомобили с водородными топливными элементами.
Вместо того чтобы пытаться усовершенствовать топливные процессоры до такой степени, что они не будут выбрасывать регулируемые загрязняющие вещества, некоторые компании работают над новыми способами хранения или производства водорода в автомобиле. . Ovonic разрабатывает устройство хранения на основе гидрида металла, которое поглощает водород примерно так же, как губка поглощает воду. Это устраняет необходимость в резервуарах для хранения высокого давления и может увеличить количество водорода, которое можно хранить в автомобиле.
Powerball Technologies хочет использовать маленькие пластиковые шарики, наполненные гидридом натрия, которые выделяют водород при открытии и падении в воду. Побочный продукт этой реакции, жидкий гидроксид натрия , широко используемый промышленный химикат.
Еще одним недостатком топливного процессора является то, что он снижает общую эффективность автомобиля на топливных элементах. Топливный процессор использует тепло и давление, чтобы способствовать реакциям, в результате которых выделяется водород. В зависимости от типов используемого топлива и эффективности топливного элемента и топливного процессора повышение эффективности по сравнению с обычными автомобилями с бензиновым двигателем может быть довольно небольшим. Посмотрите это сравнение эффективности автомобиля на топливных элементах, автомобиля с бензиновым двигателем и электромобиля.
Как работают системы управления подачей топлива
Как работают топливные системы автомобиля?
Как работают автомобили на топливных элементах?
Как работают карбюраторы с регулируемым жиклером
Как работают карбюраторы?