Om du läser artikeln om bränsleceller så vet du att de producerar el från väte och syre, och avger bara ånga. Det största problemet med vätgasdrivna bränsleceller handlar om lagring och distribution av väte. Se Hur vätgasekonomin fungerar för detaljer.
Vätgas är inte ett mycket energitätt bränsle, vilket innebär att den innehåller lite energi per volymenhet jämfört med ett flytande bränsle som bensin eller metanol. Så det är svårt att få in tillräckligt med vätgas i en bränslecellsdriven bil för att ge den en rimlig körräckvidd. Flytande väte har god energitäthet, men det måste lagras vid extremt låga temperaturer och höga tryck; detta gör det ganska svårt att lagra och transportera det.
Vanliga bränslen som naturgas, propan och bensin, och mindre vanliga som metanol och etanol, har alla väte i sin molekylstruktur. Om det fanns en teknik som kunde ta bort vätet från dessa bränslen och använda det för att driva bränslecellen, skulle problemet med lagring och distribution av vätgas nästan helt elimineras.
Den tekniken är under utveckling. Det kallas en bränsleprocessor , eller en reformer . I den här utgåvan av HowStuffWorks , kommer vi att lära oss hur steam reformer fungerar.
Innehåll
Bränsleprocessorns uppgift är att tillhandahålla relativt rent väte till en bränslecell, med hjälp av ett bränsle som är lättillgängligt eller lätt att transportera. Bränsleprocessorer måste kunna göra detta på ett effektivt sätt med ett minimum av föroreningar – annars förnekar de fördelarna med att använda en bränslecell i första hand.
För bilar är huvudproblemet energilagring . För att slippa ha stora tunga trycktankar är ett flytande bränsle att föredra framför en gas. Företag arbetar med bränsleprocessorer för flytande bränslen som bensin och metanol. Metanol är det mest lovande bränslet på kort sikt; den kan lagras och distribueras på ungefär samma sätt som bensin är nu.
För hus och stationär elproduktion är bränslen som naturgas eller propan att föredra. Många kraftverk och hus är redan anslutna till naturgasleveranser via rörledning. Och vissa hus som inte är anslutna till gasledningar har propantankar. Så det är vettigt att omvandla dessa bränslen till väte för användning i stationära bränsleceller.
Både metanol och naturgas kan omvandlas till väte i en ångreformator .
Det finns ett par typer av ångreformatorer, en som reformerar metanol och den andra reformerande naturgas .
Molekylformeln för metanol är CH 3 ÅH . Målet med reformern är att ta bort så mycket av vätet (H ) som möjligt från denna molekyl, samtidigt som utsläppen av föroreningar som kolmonoxid (CO) minimeras ). Processen börjar med förångning av flytande metanol och vatten. Värme som produceras i reformeringsprocessen används för att åstadkomma detta. Denna blandning av metanol och vattenånga leds genom en uppvärmd kammare som innehåller en katalysator.
När metanolmolekylerna träffade katalysatorn splittrades de till kolmonoxid (CO ) och vätgas (H 2 ):
Vattenångan delas i vätgas och syre; detta syre kombineras med CO för att bilda CO2 . På så sätt frigörs väldigt lite CO, eftersom det mesta omvandlas till CO2 .
Naturgas, som till största delen består av metan (CH 4 ), behandlas med en liknande reaktion. Metanet i naturgasen reagerar med vattenånga och bildar kolmonoxid och vätgas.
Precis som det gör vid reformering av metanol delas vattenångan i vätgas och syre, syret kombineras med CO och bildar CO2 .
Ingen av dessa reaktioner är perfekta; lite metanol eller naturgas och kolmonoxid tar sig igenom utan att reagera. Dessa bränns i närvaro av en katalysator, med lite luft för att tillföra syre. Detta omvandlar det mesta av den återstående CO till CO2 och den återstående metanolen till CO2 och vatten. Olika andra anordningar kan användas för att rensa upp andra föroreningar, såsom svavel, som kan finnas i avgasströmmen.
Det är viktigt att eliminera kolmonoxiden från avgasströmmen av två skäl:För det första, om CO passerar genom bränslecellen, reduceras bränslecellens prestanda och livslängd; för det andra är det en reglerad förorening, så bilar får bara producera små mängder av det.
För att skapa kraft måste flera system samverka för att ge den erforderliga elektriska effekten. Ett typiskt system skulle bestå av en elektrisk belastning (som ett hus eller en elmotor), en bränslecell och en bränsleprocessor .
Låt oss ta fallet med en bränslecellsdriven bil. När du trampar på gaspedalen (väte) händer flera saker ungefär samtidigt:
Ett liknande händelseförlopp inträffar i ditt hus när du plötsligt ökar elbehovet. Till exempel, när din luftkonditionering slås på måste bränslecellens uteffekt öka snabbt, annars kommer belysningen att dämpas tills bränslecellen kan hinna med efterfrågan.
Bränsleprocessorer har också nackdelar, inklusive föroreningar och total bränsleeffektivitet .
Även om bränsleprocessorer kan ge vätgas till en bränslecell samtidigt som de producerar mycket mindre föroreningar än en förbränningsmotor, producerar de fortfarande en betydande mängd koldioxid (CO2 ). Även om denna gas inte är en reglerad förorening, misstänks den bidra till den globala uppvärmningen.
Om rent väte används i en bränslecell är den enda biprodukten vatten (i form av ånga). Ingen CO2 eller någon annan gas släpps ut. Men eftersom bränslecellsdrivna bilar som använder bränsleprocessorer släpper ut små mängder reglerade föroreningar, såsom kolmonoxid, kommer de inte att kvalificeras som nollutsläppsfordon (ZEV) enligt Kaliforniens utsläppslagar. Just nu är de huvudsakliga teknikerna som kvalificeras som ZEV:er den batteridrivna elbilen och den vätgasdrivna bränslecellsbilen.
Istället för att försöka förbättra bränsleprocessorerna till en punkt där de inte släpper ut några reglerade föroreningar, arbetar vissa företag på nya sätt att lagra eller producera väte på fordonet . Ovonic utvecklar en metallhydridlagringsenhet som absorberar väte ungefär som en svamp absorberar vatten. Detta eliminerar behovet av högtryckslagringstankar och kan öka mängden väte som kan lagras på ett fordon.
Powerball Technologies vill använda små plastkulor fulla av natriumhydrid, som producerar väte när de öppnas och släpps i vatten. Biprodukten av denna reaktion, flytande natriumhydroxid , är en allmänt använd industriell kemikalie.
En annan nackdel med bränsleprocessorn är att den minskar den totala effektiviteten hos bränslecellsbilen. Bränsleprocessorn använder värme och tryck för att hjälpa reaktionerna som delar ut vätet. Beroende på vilka typer av bränsle som används, och effektiviteten hos bränslecellen och bränsleprocessorn, kan effektivitetsförbättringen jämfört med konventionella bensindrivna bilar vara ganska liten. Se den här jämförelsen av effektiviteten hos en bränslecellsdriven bil, en bensindriven bil och en elbil.
