Du har säkert hört talas om bränsleceller . 2003 tillkännagav president Bush ett program kallat Hydrogen Fuel Initiative (HFI) under hans State of the Union-tal. Detta initiativ, som stöds av lagstiftningen i Energy Policy Act från 2005 (EPACT 2005) och Advanced Energy Initiative från 2006, syftar till att utveckla väte-, bränslecells- och infrastrukturteknik för att göra bränslecellsfordon praktiska och kostnadseffektiva till 2020. USA har dedikerat mer än en miljard dollar till forskning och utveckling av bränsleceller hittills.
Så vad är egentligen en bränslecell? Varför samarbetar regeringar, privata företag och akademiska institutioner för att utveckla och producera dem? Bränsleceller genererar elektrisk kraft tyst och effektivt, utan föroreningar. Till skillnad från kraftkällor som använder fossila bränslen är biprodukterna från en fungerande bränslecell värme och vatten. Men hur gör den detta?
I den här artikeln tar vi en snabb titt på var och en av de befintliga eller framväxande bränslecellsteknologierna. Vi ska detaljera hur polymerelektrolytmembranbränsleceller (PEMFC ) arbeta och undersöka hur bränsleceller står sig mot andra former av kraftproduktion. Vi kommer också att utforska några av de hinder som forskare möter för att göra bränsleceller praktiska och prisvärda för vår användning, och vi kommer att diskutera bränslecellers potentiella tillämpningar.
Om du vill vara teknisk om det, är en bränslecell en elektrokemisk energiomvandlingsenhet . En bränslecell omvandlar kemikalierna väte och syre till vatten, och i processen producerar den elektricitet.
Den andra elektrokemiska enheten som vi alla är bekanta med är batteriet. Ett batteri har alla sina kemikalier lagrade inuti, och det omvandlar även dessa kemikalier till elektricitet. Det betyder att ett batteri så småningom "dör" och du antingen slänger det eller laddar det igen.
Med en bränslecell strömmar kemikalier ständigt in i cellen så att den aldrig dör - så länge det finns ett flöde av kemikalier in i cellen, rinner elektriciteten ut ur cellen. De flesta bränsleceller som används idag använder väte och syre som kemikalier.
I nästa avsnitt kommer vi att titta på de olika typerna av bränsleceller.
Innehåll
Bränslecellen kommer att konkurrera med många andra energiomvandlingsenheter, inklusive gasturbinen i din stads kraftverk, bensinmotorn i din bil och batteriet i din bärbara dator. Förbränningsmotorer som turbinen och bensinmotorn förbränner bränslen och använder det tryck som skapas av gasernas expansion för att utföra mekaniskt arbete. Batterier omvandlar kemisk energi tillbaka till elektrisk energi vid behov. Bränsleceller bör göra båda uppgifterna mer effektivt.
En bränslecell tillhandahåller en DC-spänning (likström) som kan användas för att driva motorer, lampor eller valfritt antal elektriska apparater.
Det finns flera olika typer av bränsleceller, var och en med olika kemi. Bränsleceller klassificeras vanligtvis efter deras driftstemperatur och typen av elektrolyt de använder. Vissa typer av bränsleceller fungerar bra för användning i stationära kraftverk. Andra kan vara användbara för små bärbara applikationer eller för att driva bilar. Huvudtyperna av bränsleceller inkluderar:
Department of Energy (DOE) fokuserar på PEMFC som den mest troliga kandidaten för transportapplikationer. PEMFC har en hög effekttäthet och en relativt låg driftstemperatur (från 60 till 80 grader Celsius, eller 140 till 176 grader Fahrenheit). Den låga driftstemperaturen gör att det inte tar särskilt lång tid för bränslecellen att värmas upp och börja generera elektricitet. Vi tar en närmare titt på PEMFC i nästa avsnitt.
Dessa bränsleceller är bäst lämpade för storskaliga stationära kraftgeneratorer som kan ge el till fabriker eller städer. Denna typ av bränslecell arbetar vid mycket höga temperaturer (mellan 700 och 1 000 grader Celsius). Denna höga temperatur gör tillförlitligheten ett problem, eftersom delar av bränslecellen kan gå sönder efter att ha cyklat på och av upprepade gånger. Fastoxidbränsleceller är dock mycket stabila när de används kontinuerligt. Faktum är att SOFC har visat den längsta livslängden för någon bränslecell under vissa driftsförhållanden. Den höga temperaturen har också en fördel:ångan som produceras av bränslecellen kan kanaliseras in i turbiner för att generera mer elektricitet. Denna process kallas samgenerering av värme och kraft (CHP) och det förbättrar systemets övergripande effektivitet.
Detta är en av de äldsta designerna för bränsleceller; USA:s rymdprogram har använt dem sedan 1960-talet. AFC är mycket känsligt för kontaminering, så det kräver rent väte och syre. Det är också väldigt dyrt, så den här typen av bränsleceller kommer sannolikt inte att kommersialiseras.
Liksom SOFC är dessa bränsleceller också bäst lämpade för stora stationära kraftgeneratorer. De arbetar vid 600 grader Celsius, så de kan generera ånga som kan användas för att generera mer kraft. De har en lägre driftstemperatur än fastoxidbränsleceller, vilket innebär att de inte behöver så exotiska material. Detta gör designen lite billigare.
Fosforsyrabränslecellen har potential att användas i små stationära kraftgenereringssystem. Den arbetar vid en högre temperatur än polymerutbytesmembranbränsleceller, så den har en längre uppvärmningstid. Detta gör den olämplig för användning i bilar.
Metanolbränsleceller är jämförbara med en PEMFC när det gäller driftstemperatur, men är inte lika effektiva. Dessutom kräver DMFC en relativt stor mängd platina för att fungera som en katalysator, vilket gör dessa bränsleceller dyra.
I följande avsnitt kommer vi att titta närmare på vilken typ av bränslecell som DOE planerar att använda för att driva framtida fordon -- PEMFC .
Uppfinningen av bränslecellenSir William Grove uppfann den första bränslecellen 1839. Grove visste att vatten kunde delas upp till väte och syre genom att skicka en elektrisk ström genom den (en process som kallas elektrolys ). Han antog att man genom att vända på proceduren kunde producera el och vatten. Han skapade en primitiv bränslecell och kallade den ett gasbatteri . Efter att ha experimenterat med sin nya uppfinning bevisade Grove sin hypotes. Femtio år senare myntade forskarna Ludwig Mond och Charles Langer termen bränslecell samtidigt som man försöker bygga en praktisk modell för att producera el.
Bränslecellen för polymerutbytesmembran (PEMFC) är en av de mest lovande bränslecellsteknologierna. Den här typen av bränsleceller kommer förmodligen att driva bilar, bussar och kanske till och med ditt hus. PEMFC använder en av de enklaste reaktionerna av någon bränslecell. Låt oss först ta en titt på vad som finns i en PEM-bränslecell:
I Figur 1 du kan se att det finns fyra grundläggande element i en PEMFC:
Bildtrycksatt vätgas (H2 ) går in i bränslecellen på anodsidan. Denna gas tvingas genom katalysatorn av trycket. När en H2 molekylen kommer i kontakt med platina på katalysatorn, den delar sig i två H + joner och två elektroner (e - ). Elektronerna leds genom anoden, där de tar sig igenom den externa kretsen (gör användbart arbete som att vrida en motor) och återvänder till katodsidan av bränslecellen.
Under tiden, på katodsidan av bränslecellen, syrgas (O2 ) tvingas genom katalysatorn, där den bildar två syreatomer. Var och en av dessa atomer har en stark negativ laddning. Denna negativa laddning attraherar de två H + joner genom membranet, där de kombineras med en syreatom och två av elektronerna från den externa kretsen för att bilda en vattenmolekyl (H2 O).
Denna reaktion i en enda bränslecell producerar endast cirka 0,7 volt. För att få upp denna spänning till en rimlig nivå måste många separata bränsleceller kombineras för att bilda en bränslecellstack . Bipolära plattor används för att koppla en bränslecell till en annan och utsätts för både oxidation och minska förutsättningar och potentialer. Ett stort problem med bipolära plattor är stabiliteten. Metalliska bipolära plattor kan korrodera, och biprodukter från korrosion (järn- och kromjoner) kan minska effektiviteten hos bränslecellsmembran och elektroder. Bränsleceller för låga temperaturer använder lättmetaller , grafit och kol/termohärdande kompositer (thermoset är en sorts plast som förblir styv även när den utsätts för höga temperaturer) som bipolärt plattmaterial.
I nästa avsnitt ska vi se hur effektiva bränslecellsfordon kan vara.
En bränslecells kemiAnodsida :2H2 -> 4H+ + 4e-
Katodsidan :O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O
Nettreaktion :2H2 + O2 -> 2H2O
Läs mer>
Reducering av föroreningar är ett av bränslecellens primära mål. Genom att jämföra en bränslecellsdriven bil med en bensindriven bil och en batteridriven bil kan du se hur bränsleceller kan förbättra effektiviteten hos bilar idag.
Eftersom alla tre typer av bilar har många av samma komponenter (däck, växellådor, et cetera), kommer vi att ignorera den delen av bilen och jämföra effektiviteten fram till den punkt där mekanisk kraft genereras. Låt oss börja med bränslecellsbilen. (Alla dessa effektivitetsvinster är ungefärliga, men de bör vara tillräckligt nära för att göra en grov jämförelse.)
Om bränslecellen drivs med rent väte har den potential att vara upp till 80 procent effektiv. Det vill säga att den omvandlar 80 procent av vätets energiinnehåll till elektrisk energi. Men vi behöver fortfarande omvandla den elektriska energin till mekaniskt arbete. Detta åstadkoms av elmotorn och växelriktaren. En rimlig siffra för motorns/växelriktarens verkningsgrad är cirka 80 procent. Så vi har 80 procents effektivitet när det gäller att generera elektricitet och 80 procents effektivitet när vi omvandlar den till mekanisk kraft. Det ger en total effektivitet på cirka 64 procent . Hondas konceptbil FCX har enligt uppgift 60 procents energieffektivitet.
Om bränslekällan inte är rent väte, kommer fordonet också att behöva en reformer. En reformator förvandlar kolväte- eller alkoholbränslen till väte. De genererar värme och producerar andra gaser förutom väte. De använder olika anordningar för att försöka rensa upp vätgasen, men trots det är vätet som kommer ut ur dem inte rent, och det sänker bränslecellens effektivitet. Eftersom reformer påverkar bränslecellseffektiviteten har DOE-forskning beslutat att koncentrera sig på rena vätebränslecellsfordon, trots utmaningar i samband med väteproduktion och lagring.
Därefter ska vi lära oss om effektiviteten hos bensin- och batteridrivna bilar.
VäteVäte är det vanligaste grundämnet i universum. Men väte finns inte naturligt på jorden i dess elementära form. Ingenjörer och forskare måste producera rent väte från väteföreningar, inklusive fossila bränslen eller vatten. För att utvinna väte från dessa föreningar måste du utöva energi. Den energi som krävs kan komma i form av värme, el eller till och med ljus.
Effektiviteten hos en bensindriven bil är förvånansvärt låg. All värme som kommer ut som avgaser eller går in i radiatorn är bortkastad energi. Motorn använder också mycket energi för att vrida de olika pumparna, fläktarna och generatorerna som håller den igång. Så den totala effektiviteten för en gasmotor för bilar är cirka 20 procent . Det vill säga att endast cirka 20 procent av den termiska energihalten i bensinen omvandlas till mekaniskt arbete.
En batteridriven elbil har en ganska hög verkningsgrad. Batteriet är cirka 90 procent effektivt (de flesta batterier genererar viss värme eller kräver uppvärmning), och elmotorn/växelriktaren är cirka 80 procent effektiv. Detta ger en total effektivitet på cirka 72 procent .
Men det är inte hela historien. Elen som användes för att driva bilen måste genereras någonstans. Om det genererades i ett kraftverk som använde en förbränningsprocess (snarare än kärnkraft, vattenkraft, solenergi eller vind), så omvandlades bara cirka 40 procent av bränslet som kraftverket krävde till elektricitet. Processen att ladda bilen kräver omvandling av växelström (AC) till likström (DC). Denna process har en effektivitet på cirka 90 procent.
Så om vi tittar på hela cykeln så är effektiviteten för en elbil 72 procent för bilen, 40 procent för kraftverket och 90 procent för att ladda bilen. Det ger en total effektivitet på 26 procent . Den totala verkningsgraden varierar avsevärt beroende på vilken typ av kraftverk som används. Om elektriciteten till bilen till exempel genereras av ett vattenkraftverk, så är det i princip gratis (vi brände inget bränsle för att generera det), och elbilens effektivitet är cirka 65 procent .
Forskare forskar och förfinar konstruktioner för att fortsätta att öka bränslecellseffektiviteten. Ett tillvägagångssätt är att kombinera bränslecells- och batteridrivna fordon. Ford Motors and Airstream are developing a concept vehicle powered by a hybrid fuel cell drivetrain named the HySeries Drive . Ford claims the vehicle has a fuel economy comparable to 41 miles per gallon. The vehicle uses a lithium battery to power the car, while the fuel cell recharges the battery.
Fuel-cell vehicles are potentially as efficient as a battery-powered car that relies on a non-fuel-burning power plant. But reaching that potential in a practical and affordable way might be difficult. In the next section, we will examine some of the challenges of making a fuel-cell energy system a reality.
Golden CatalystsNanoscale science may provide fuel cell developers with some much sought after answers. For example, gold is usually an unreactive metal. However, when reduced to nanometer size, gold particles can be as effective a catalyst as platinum.
Fuel cells might be the answer to our power problems, but first scientists will have to sort out a few major issues:
Chief among the problems associated with fuel cells is how expensive they are. Many of the component pieces of a fuel cell are costly. For PEMFC systems, proton exchange membranes, precious metal catalysts (usually platinum), gas diffusion layers, and bipolar plates make up 70 percent of a system's cost [Source:Basic Research Needs for a Hydrogen Economy]. In order to be competitively priced (compared to gasoline-powered vehicles), fuel cell systems must cost $35 per kilowatt. Currently, the projected high-volume production price is $73 per kilowatt [Source:Garland]. In particular, researchers must either decrease the amount of platinum needed to act as a catalyst or find an alternative.
Researchers must develop PEMFC membranes that are durable and can operate at temperatures greater than 100 degrees Celsius and still function at sub-zero ambient temperatures. A 100 degrees Celsius temperature target is required in order for a fuel cell to have a higher tolerance to impurities in fuel. Because you start and stop a car relatively frequently, it is important for the membrane to remain stable under cycling conditions. Currently membranes tend to degrade while fuel cells cycle on and off, particularly as operating temperatures rise.
Because PEMFC membranes must by hydrated in order to transfer hydrogen protons, researches must find a way to develop fuel cell systems that can continue to operate in sub-zero temperatures, low humidity environments and high operating temperatures. At around 80 degrees Celsius, hydration is lost without a high-pressure hydration system.
The SOFC has a related problem with durability. Solid oxide systems have issues with material corrosion. Seal integrity is also a major concern. The cost goal for SOFC?s is less restrictive than for PEMFC systems at $400 per kilowatt, but there are no obvious means of achieving that goal due to high material costs. SOFC durability suffers after the cell repeatedly heats up to operating temperature and then cools down to room temperature.
The Department of Energy?s Technical Plan for Fuel Cells states that the air compressor technologies currently available are not suitable for vehicle use, which makes designing a hydrogen fuel delivery system problematic.
In order for PEMFC vehicles to become a viable alternative for consumers, there must be a hydrogen generation and delivery infrastructure. This infrastructure might include pipelines, truck transport, fueling stations and hydrogen generation plants. The DOE hopes that development of a marketable vehicle model will drive the development of an infrastructure to support it.
Three hundred miles is a conventional driving range (the distance you can drive in a car with a full tank of gas). In order to create a comparable result with a fuel cell vehicle, researchers must overcome hydrogen storage considerations, vehicle weight and volume, cost, and safety.
While PEMFC systems have become lighter and smaller as improvements are made, they still are too large and heavy for use in standard vehicles.
There are also safety concerns related to fuel cell use. Legislators will have to create new processes for first responders to follow when they must handle an incident involving a fuel cell vehicle or generator. Engineers will have to design safe, reliable hydrogen delivery systems.
Researchers face considerable challenges. In the next section, we will explore why the United States and other nations are investing in research to overcome these obstacles.
Aromatic-based MembranesAn alternative to current perfluorosulfonic acid membranes are aromatic-based membranes. Aromatic in this case does not refer to the pleasing scent of the membrane -- it actually refers to aromatic rings like benzene, pyridine or indole. These membranes are more stable at higher temperatures, but still require hydration. What?s more, aromatic-based membranes swell when they lose hydration, which can affect the fuel cell's efficiency.
Why is the U.S. government working with universities, public organizations and private companies to overcome all the challenges of making fuel cells a practical source for energy? More than a billion dollars has been spent on research and development on fuel cells. A hydrogen infrastructure will cost considerably more to construct and maintain (some estimates top 500 billion dollars). Why does the president think fuel cells are worth the investment?
The main reasons have everything to do with oil. America must import 55 percent of its oil. By 2025 this is expected to grow to 68 percent. Two thirds of the oil Americans use every day is for transportation. Even if every vehicle on the street were a hybrid car, by 2025 we would still need to use the same amount of oil then as we do right now [Source:Fuel Cells 2000]. In fact, America consumes one quarter of all the oil produced in the world, though only 4.6 percent of the world population lives here [Source:National Security Consequences of U.S. Oil Dependency].
Experts expect oil prices to continue to rise over the next few decades as more low-cost sources are depleted. Oil companies will have to look in increasingly challenging environments for oil deposits, which will drive oil prices higher.
Concerns extend far beyond economic security. The Council on Foreign Relations released a report in 2006 titled "National Security Consequences of U.S. Oil Dependency." A task force detailed numerous concerns about how America's growing reliance on oil compromises the safety of the nation. Much of the report focused on the political relationships between nations that demand oil and the nations that supply it. Many of these oil rich nations are in areas filled with political instability or hostility. Other nations violate human rights or even support policies like genocide. It is in the best interests of the United States and the world to look into alternatives to oil in order to avoid funding such policies.
Using oil and other fossil fuels for energy produces pollution. Pollution issues have been in the news a lot recently -- from the film "An Inconvenient Truth" to the announcement that climate change and global warming would factor into future adjustments of the Doomsday Clock. It is in the best interest for everyone find an alternative to burning fossil fuels for energy.
Fuel cell technologies are an attractive alternative to oil dependency. Fuel cells give off no pollution, and in fact produce pure water as a byproduct. Though engineers are concentrating on producing hydrogen from sources such as natural gas for the short-term, the Hydrogen Initiative has plans to look into renewable, environmentally-friendly ways of producing hydrogen in the future. Because you can produce hydrogen from water, the United States could increasingly rely on domestic sources for energy production.
Other countries are also exploring fuel-cell applications. Oil dependency and global warming are international problems. Several countries are partnering to advance research and development efforts in fuel cell technologies. One partnership is The International Partnership for the Hydrogen Economy.
Clearly scientists and manufacturers have a lot of work to do before fuel cells become a practical alternative to current energy production methods. Still, with worldwide support and cooperation, the goal to have a viable fuel cell-based energy system may be a reality in a couple of decades.
A Fuel Cell That Runs on WasteEnvironmental engineers at Pennsylvania State University developed a fuel cell that runs on wastewater. The cell uses microbes to break down organic matter. The matter in turn releases hydrogen and electrons. The fuel cell can break down approximately 80 percent of the organic matter in wastewater, and like PEMFCs the output is heat and pure water. The energy generated by the fuel cell could help power a water treatment plant pump system.
International Partnership for the Hydrogen Economy
AutoFuel EconomyHow Alternative Fuel Pricing WorksAutoAlternative FuelsAlternative FuelAutoAlternative Fuels10 Alternative Fuel Ideas That Never Made It Out of the LabAutoHybrid TechnologyWhat are the most difficult standards to meet for an alternative fuel car?AutoHybrid TechnologyHow Alternative Fuel Filling Stations WorkAutoHybrid TechnologyWhat is the world's cheapest alternative fuel car?AutoBiofuelsIs algae biofuel a viable alternative to oil?AutoBiofuelsAre oil companies promoting alternative energy?AutoHybrid TechnologyTop 10 Alternative Fuels on the Road Right NowAutoBiofuelsIs biofuel a reasonable (and safe) jet fuel alternative?AutoAlternative FuelsAlternative Fuel Vehicle PicturesAutoAlternative FuelsNatural Gas Vehicles:A Clean AlternativeAutoAlternative FuelsHow Fuel Cells WorkAutoAlternative FuelsHow Biodiesel WorksAutoAlternative FuelsIs ethanol really more eco-friendly than gas?AutoAlternative FuelsHow Much Corn for EthanolAutoAlternative FuelsCould salt water fuel cars?AutoAlternative FuelsHow Natural-gas Vehicles WorkAutoAlternative FuelsE85 Ethanol Flex Fuel OverviewAutoAlternative FuelsCan ethanol damage your engine?AutoAlternative FuelsWhat is top fuel and how is it different from gasoline?AutoAlternative FuelsCan a car run on nuclear power? ScienceEnergy ProductionWhat's the cheapest new energy alternative?ScienceGreen ScienceWhat is the cheapest new alternative energy?ScienceGreen Science10 Wacky Forms of Alternative EnergyScienceGreen ScienceWill alternative fuels deplete global corn supplies?
