A hidrogén üzemanyagcellák trendjei és kilátásai a tiszta közlekedéshez

Ez a cikk a hidrogén üzemanyagcellákra, az alkalmazásuk trendjére és kilátásaira összpontosít. A hidrogén alapú üzemanyagcellák ma egyre nagyobb figyelmet kapnak az autóiparban, hiszen ha a 20. század a belső égésű motorok évszázada volt, akkor a 21. század a hidrogénenergia évszázada lehet az autóiparban. A hidrogéncelláknak köszönhetően már ma is működnek az űrhajók, a világ egyes országaiban pedig már több mint 10 éve használják a hidrogént áramtermelésre.

A hidrogén-üzemanyagcella olyan elektrokémiai eszköz, mint az akkumulátor, amely hidrogén és oxigén kémiai reakciója során áramot termel, és a kémiai reakció terméke tiszta víz, míg például a földgáz elégetésekor környezetkárosító szén-dioxid keletkezik.

Ráadásul a hidrogéncellák nagyobb hatékonysággal is működhetnek, ezért különösen ígéretesek. Képzeljen el hatékony, környezetbarát autómotorokat.Ám a teljes infrastruktúra jelenleg kőolajtermékekre épül és specializálódott, és a hidrogéncellák nagyarányú bevezetése az autóiparban ezzel és más akadályokkal is szembesül.

Eközben 1839 óta ismert, hogy a hidrogén és az oxigén kémiailag egyesülhet, és ezáltal elektromos áramot kaphat, vagyis a víz elektrolízisének folyamata reverzibilis - ez egy megerősített tudományos tény. Már a 19. században elkezdték tanulmányozni az üzemanyagcellákat, de az olajtermelés fejlődése és a belső égésű motor megalkotása során a hidrogén energiaforrások maradtak, és ezek valami egzotikus, veszteséges és költséges előállításúvá váltak.

Az 1950-es években a NASA kénytelen volt hidrogén üzemanyagcellákhoz folyamodni, majd szükségből. Szükségük volt egy kompakt és hatékony áramfejlesztőre az űrhajókhoz. Ennek eredményeként az Apollo és a Gemini hidrogén üzemanyagcellákon repültek az űrbe, ami a legjobb megoldásnak bizonyult.

Mára az üzemanyagcellák teljesen kikerültek a kísérleti technológiából, és az elmúlt 20 évben jelentős előrelépés történt szélesebb körű kereskedelmi forgalomba hozatalukban.

Nem hiába fektetnek nagy reményeket a hidrogén üzemanyagcellákba. Munkájuk során a környezetszennyezés minimális, a műszaki előnyök és a biztonság nyilvánvalóak, ráadásul ez az üzemanyagfajta alapvetően autonóm, és képes helyettesíteni a nehéz és drága lítium akkumulátorokat.

A hidrogéncella tüzelőanyaga egy kémiai reakció során közvetlenül energiává alakul, és itt több energia nyerhető, mint a hagyományos égetéssel.Kevesebb üzemanyagot fogyaszt, és a hatásfoka háromszor nagyobb, mint egy hasonló, fosszilis tüzelőanyagot használó készüléké.

Minél nagyobb a hatásfok, annál jobban szervezett módon hasznosul a reakció során keletkező víz és hő. A káros anyagok kibocsátása minimális, mivel csak víz, energia és hő szabadul fel, miközben a hagyományos tüzelőanyag elégetésének legsikeresebben szervezett folyamata esetén is elkerülhetetlenül képződik nitrogén-oxidok, kén, szén és egyéb felesleges égéstermékek.

Ráadásul maguk a hagyományos üzemanyag-ipar is káros hatással van a környezetre, és a hidrogén üzemanyagcellák elkerülik az ökoszisztéma veszélyes invázióját, mivel a hidrogén előállítása teljesen megújuló energiaforrásokból lehetséges. Ennek a gáznak még a szivárgása is ártalmatlan, mivel azonnal elpárolog.

Az üzemanyagcella nem mindegy, hogy a működéséhez melyik üzemanyagból nyerik a hidrogént. Az energiasűrűség kWh / l-ben azonos lesz, és ez a mutató folyamatosan növekszik az üzemanyagcellák létrehozásának technológiájának fejlesztésével.

Maga a hidrogén bármely kényelmes helyi forrásból beszerezhető, legyen az földgáz, szén, biomassza vagy elektrolízis (szél, napenergia stb. útján) Megszűnik a regionális áramszolgáltatóktól való függés, a rendszerek általában függetlenek az elektromos hálózatoktól.

A cella üzemi hőmérséklete meglehetősen alacsony, és az elem típusától függően 80 és 1000 ° C között változhat, míg a hagyományos modern belső égésű motorokban a hőmérséklet eléri a 2300 ° C-ot.Az üzemanyagcella kompakt, minimális zajt bocsát ki a generálás során, nincs káros anyag kibocsátása, így bármely kényelmes helyre elhelyezhető abban a rendszerben, amelyben működik.

Elvileg nemcsak a villamos energia, hanem a kémiai reakció során felszabaduló hő is hasznosítható célokra, például vízmelegítésre, térfűtésre vagy hűtésre – ezzel a megközelítéssel megközelíti az energiatermelés hatékonyságát a cellában. 90%.

A cellák érzékenyek a terhelés változásaira, így az energiafogyasztás növekedésével több üzemanyagot kell betáplálni. Ez hasonló a benzinmotor vagy a belső égésű generátor működéséhez. Technikailag az üzemanyagcella megvalósítása meglehetősen egyszerű, mivel nincsenek mozgó alkatrészek, a kialakítás egyszerű és megbízható, a meghibásodás valószínűsége pedig alapvetően rendkívül kicsi.

A hidrogén-oxigén üzemanyagcella protoncserélő membránnal (például "polimer elektrolittal") egy polimerből (Nafion, polibenzimidazol stb.) származó protonokat vezető membránt tartalmaz, amely két elektródot - egy anódot és egy katódot - választ el. Mindegyik elektróda általában szénlemez (mátrix), hordozós katalizátorral – platina vagy platinoidok és más vegyületek ötvözete.

Az anódkatalizátoron a molekuláris hidrogén disszociál és elektronokat veszít. A hidrogénkationok a membránon keresztül a katódra jutnak, de az elektronok a külső áramkörbe kerülnek, mivel a membrán nem engedi át az elektronokat. A katódkatalizátoron az oxigénmolekula egyesül egy elektronnal (amelyet külső kommunikációval szállítanak) és egy bejövő protonnal, és vizet képez, amely a reakció egyetlen terméke (gőz és/vagy folyadék formájában).

Igen, az elektromos autók manapság lítium akkumulátorral működnek. A hidrogén üzemanyagcellák azonban helyettesíthetik őket. Az akkumulátor helyett az áramforrás sokkal kisebb súlyt bír el. Ezenkívül az autó teljesítménye egyáltalán nem az akkumulátorcellák hozzáadásának köszönhető tömegnövekedés miatt növelhető, hanem egyszerűen a rendszer üzemanyag-ellátásának beállításával, miközben az a hengerben van. Ezért az autógyártók nagy elvárásokat támasztanak a hidrogén üzemanyagcellákkal szemben.

Több mint 10 évvel ezelőtt a világ számos országában, különösen az Egyesült Államokban és Európában megkezdődött a hidrogénautók létrehozása. Az oxigén közvetlenül a légköri levegőből vonható ki a jármű fedélzetén elhelyezett speciális szűrőkompresszor segítségével. A sűrített hidrogént nagy teherbírású hengerben tárolják körülbelül 400 atm nyomáson. A tankolás néhány percig tart.

A környezetbarát városi közlekedés koncepcióját a 2000-es évek közepe óta alkalmazzák Európában: Amszterdamban, Hamburgban, Barcelonában és Londonban régóta találkoznak ilyen személybuszok, egy metropoliszban rendkívül fontos a káros kibocsátás hiánya és a zajcsökkentés. 2018-ban indult Németországban a Coradia iLint, az első hidrogénüzemű vasúti személyvonat. 2021-ig további 14 ilyen vonat indítását tervezik.

A következő 40 évben a hidrogénre, mint az autók elsődleges energiaforrására való áttérés forradalmasíthatja a világ energiáját és gazdaságát. Bár most már világos, hogy az olaj és a gáz továbbra is a fő üzemanyagpiac marad még legalább 10 évig.Ennek ellenére egyes országok már beruháznak a hidrogén üzemanyagcellás járművek létrehozásába, annak ellenére, hogy számos műszaki és gazdasági akadályt le kell küzdeni.

A hidrogén infrastruktúra, biztonságos benzinkutak kialakítása a fő feladat, mert a hidrogén robbanásveszélyes gáz. Akárhogy is, a hidrogénnel jelentősen csökkenthetők a jármű üzemanyag- és karbantartási költségei, és növelhető a megbízhatóság.

A Bloomberg előrejelzései szerint 2040-re az autók a jelenlegi napi 13 millió hordó helyett 1900 terawattórát fogyasztanak majd, ami a villamosenergia-igény 8%-a lesz, miközben a világon ma megtermelt olaj 70%-a közlekedési üzemanyag-termelésre megy el. . Természetesen ezen a ponton az akkumulátoros elektromos járművek piacának kilátásai sokkal markánsabbak és lenyűgözőbbek, mint a hidrogén üzemanyagcellák esetében.

2017-ben az elektromos járművek piaca 17,4 milliárd dollár volt, míg a hidrogénautók piaca mindössze 2 milliárd dollár volt. E különbség ellenére a befektetők továbbra is érdeklődnek a hidrogénenergia iránt, és új fejlesztéseket finanszíroznak.

Így 2017-ben megalakult a Hidrogén Tanács, amelybe 39 nagy autógyártó tartozik, mint az Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Célja új hidrogéntechnológiák kutatása és fejlesztése, valamint ezek későbbi széleskörű elterjedése.