I moderne liv Kemiske strømkilder er overalt omkring os: batterier i lommelygter, batterier i mobiltelefoner, brintbrændselsceller, som allerede bruges i nogle biler. Den hurtige udvikling af elektrokemiske teknologier kan føre til, at vi i den nærmeste fremtid, i stedet for benzindrevne biler, kun vil være omgivet af elektriske køretøjer, telefoner vil ikke længere aflade hurtigt, og hvert hjem vil have sin egen elektriske brændselscelle. generator. Et af de fælles programmer fra Ural Federal University og Institute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences er afsat til at øge effektiviteten af elektrokemiske lagringsenheder og generatorer af elektricitet, i samarbejde med hvilket vi udgiver denne artikel.
I dag findes der mange forskellige typer batterier, som kan blive stadig sværere at navigere. Det er ikke indlysende for alle, hvordan et batteri adskiller sig fra en superkondensator, og hvorfor en brintbrændselscelle kan bruges uden frygt for at skade miljøet. I denne artikel vil vi tale om, hvordan kemiske reaktioner bruges til at generere elektricitet, hvad er forskellen mellem hovedtyperne af moderne kemiske strømkilder, og hvilke perspektiver der åbner for elektrokemisk energi.
Kemi som kilde til elektricitet
Lad os først finde ud af, hvorfor kemisk energi overhovedet kan bruges til at generere elektricitet. Sagen er, at under redoxreaktioner overføres elektroner mellem to forskellige ioner. Hvis to halvdele kemisk reaktion adskilt i rummet, så oxidation og reduktion foregår adskilt fra hinanden, så er det muligt at sikre sig, at en elektron, der er løsrevet fra den ene ion, ikke umiddelbart falder på den anden, men først passerer ad en bane, der er forudbestemt for den. Denne reaktion kan bruges som en kilde elektrisk strøm.
Dette koncept blev først implementeret i det 18. århundrede af den italienske fysiolog Luigi Galvani. Virkningen af en traditionel galvanisk celle er baseret på reduktions- og oxidationsreaktioner af metaller med forskellige aktiviteter. For eksempel er en klassisk celle en galvanisk celle, hvor zink oxideres og kobber reduceres. Reduktions- og oxidationsreaktioner finder sted ved henholdsvis katoden og anoden. Og for at forhindre kobber- og zinkioner i at trænge ind i "fremmed territorium", hvor de kan reagere direkte med hinanden, placeres normalt en speciel membran mellem anoden og katoden. Som følge heraf opstår der en potentialforskel mellem elektroderne. Hvis du forbinder elektroder, for eksempel til en pære, begynder der at strømme strøm i det resulterende elektriske kredsløb, og pæren lyser.
Galvanisk cellediagram
Wikimedia commons
Ud over materialerne i anoden og katoden er en vigtig bestanddel af den kemiske strømkilde elektrolytten, indeni hvilken ionerne bevæger sig, og på grænsen af hvilken alle elektrokemiske reaktioner finder sted med elektroderne. I dette tilfælde behøver elektrolytten ikke at være flydende - det kan enten være et polymer- eller keramisk materiale.
Den største ulempe ved den galvaniske celle er dens begrænsede driftstid. Så snart reaktionen er afsluttet (det vil sige, at hele den gradvist opløselige anode er fuldstændig forbrugt), vil et sådant element simpelthen holde op med at virke.
AA alkaliske batterier
Genopladelig
Det første skridt mod at udvide mulighederne for kemiske strømkilder var skabelsen af et batteri - en strømkilde, der kan genoplades og derfor genbruges. For at gøre dette foreslog forskere simpelthen at bruge reversible kemiske reaktioner. Efter at have afladet batteriet fuldstændigt for første gang ved hjælp af en ekstern strømkilde, kan reaktionen, der fandt sted i det, startes i den modsatte retning. Dette vil genoprette den til sin oprindelige tilstand, så batteriet kan bruges igen efter genopladning.
Bilens blybatteri
Der er skabt meget i dag forskellige typer batterier, som er forskellige i den type kemiske reaktion, der forekommer i dem. De mest almindelige typer batterier er bly-syre (eller blot bly) batterier, som er baseret på blyets oxidations-reduktionsreaktion. Sådanne enheder har ganske langsigtet tjenester, og deres energiintensitet er op til 60 watt-timer pr. kilogram. Endnu mere populær i på det seneste er lithium-ion-batterier baseret på lithiums oxidations-reduktionsreaktion. Energiintensiteten af moderne lithium-ion-batterier overstiger nu 250 watt-timer pr. kilogram.
Li-ion batteri til mobiltelefon
De største problemer ved lithium-ion-batterier er deres lave effektivitet ved lave temperaturer, hurtig ældning og øget risiko for eksplosion. Og på grund af det faktum, at lithiummetal reagerer meget aktivt med vand for at danne brintgas, og der frigives ilt, når batteriet brænder, spontan forbrænding lithium-ion batteri meget vanskeligt at reagere på traditionelle brandslukningsmetoder. For at øge sikkerheden for et sådant batteri og fremskynde dets opladningstid foreslår forskere et katodemateriale, der forhindrer dannelsen af dendritiske lithiumstrukturer, og tilføjer stoffer til elektrolytten, der forårsager dannelsen af eksplosive strukturer og komponenter, der antændes i tidlige stadier.
Fast elektrolyt
Som en anden mindre indlysende måde at forbedre batteriernes effektivitet og sikkerhed har kemikere foreslået ikke at begrænse kemiske strømkilder til flydende elektrolytter, men at skabe en fuldstændig solid-state strømkilde. I sådanne enheder er der overhovedet ingen flydende komponenter, men en lagdelt struktur af en fast anode, en fast katode og en fast elektrolyt mellem dem. Elektrolytten udfører samtidig funktionen af en membran. Ladningsbærere i en fast elektrolyt kan være forskellige ioner, afhængig af dens sammensætning og de reaktioner, der finder sted ved anoden og katoden. Men de er altid små nok ioner, som kan bevæge sig relativt frit i hele krystallen, for eksempel H+ protoner, lithiumioner Li+ eller oxygenioner O 2-.
Brint brændselsceller
Muligheden for genopladning og særlige sikkerhedsforanstaltninger gør batterier meget mere lovende strømkilder end konventionelle batterier, men stadig indeholder hvert batteri begrænset mængde reagenser, hvilket betyder en begrænset tilførsel af energi, og hver gang skal batteriet genoplades for at genoprette dets funktionalitet.
For at gøre et batteri "endeløst" kan du som energikilde ikke bruge de stoffer, der er inde i cellen, men brændstof, der pumpes specielt gennem det. Det bedste valg til sådant brændstof er et stof, der er så enkelt i sammensætning som muligt, miljøvenligt og tilgængeligt i overflod på Jorden.
Det mest egnede stof af denne type er brintgas. Dets oxidation med atmosfærisk oxygen til dannelse af vand (ifølge reaktionen 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) er en simpel redoxreaktion, og transporten af elektroner mellem ioner kan også bruges som strømkilde. Den reaktion, der opstår, er en slags omvendt reaktion på elektrolyse af vand (hvor vand under påvirkning af en elektrisk strøm nedbrydes til ilt og brint), og et sådant skema blev først foreslået i midten af det 19. århundrede .
Men på trods af, at kredsløbet ser ret simpelt ud, er det slet ikke en triviel opgave at skabe en effektivt fungerende enhed baseret på dette princip. For at gøre dette er det nødvendigt at adskille ilt- og brintstrømmene i rummet, sikre transporten af de nødvendige ioner gennem elektrolytten og reducere mulige energitab på alle stadier af arbejdet.
Skematisk diagram brint brændselscelledrift
Kredsløbet for en fungerende brintbrændselscelle ligner meget kredsløbet for en kemisk strømkilde, men indeholder yderligere kanaler til tilførsel af brændstof og oxidationsmiddel og fjernelse af reaktionsprodukter og overskydende tilførte gasser. Elektroderne i et sådant element er porøse ledende katalysatorer. Et gasformigt brændstof (brint) tilføres anoden, og et oxidationsmiddel (ilt fra luften) tilføres katoden, og ved grænsen af hver elektrode med elektrolytten finder dens egen halvreaktion sted (brintoxidation og henholdsvis iltreduktion). I dette tilfælde, afhængigt af typen af brændselscelle og typen af elektrolyt, kan dannelsen af vand selv forekomme enten i anoden eller i katoderummet.
Toyota brint brændselscelle
Joseph Brent / flickr
Hvis elektrolytten er en protonledende polymer eller keramisk membran, en syre- eller alkaliopløsning, så er ladningsbæreren i elektrolytten hydrogenioner. I dette tilfælde, ved anoden, oxideres molekylært hydrogen til hydrogenioner, som passerer gennem elektrolytten og reagerer med oxygen der. Hvis ladningsbæreren er oxygenionen O 2–, som i tilfældet med en fast oxidelektrolyt, så reduceres oxygen til en ion ved katoden, denne ion passerer gennem elektrolytten og oxiderer hydrogen ved anoden for at danne vand og frit elektroner.
Ud over hydrogenoxidationsreaktionen er det blevet foreslået at anvende andre typer reaktioner til brændselsceller. For eksempel kan det reducerende brændstof i stedet for brint være methanol, som oxideres af ilt til kuldioxid og vand.
Brændselscelleeffektivitet
På trods af alle fordelene ved brintbrændselsceller (såsom miljøvenlighed, praktisk talt ubegrænset effektivitet, kompakt størrelse og høj energiintensitet), har de også en række ulemper. Disse omfatter først og fremmest den gradvise ældning af komponenter og vanskeligheder med at opbevare brint. Det er netop, hvordan man fjerner disse mangler, som videnskabsmænd arbejder på i dag.
Det foreslås i øjeblikket at øge effektiviteten af brændselsceller ved at ændre sammensætningen af elektrolytten, katalysatorelektrodens egenskaber og systemets geometri (hvilket sikrer tilførsel af brændselsgasser til det ønskede punkt og reducerer bivirkninger). For at løse problemet med at opbevare brintgas anvendes materialer indeholdende platin, til mætning af hvilke for eksempel grafenmembraner.
Som et resultat er det muligt at opnå en forøgelse af brændselscellens stabilitet og levetiden af dens individuelle komponenter. Nu når koefficienten for omdannelse af kemisk energi til elektrisk energi i sådanne elementer 80 procent, og med visse forhold måske endda højere.
De enorme udsigter for brintenergi er forbundet med muligheden for at kombinere brændselsceller til hele batterier, forvandle dem til elektriske generatorer med høj effekt. Allerede nu har elektriske generatorer, der kører på brintbrændselsceller, en effekt på op til flere hundrede kilowatt og bruges som strømkilder til køretøjer.
Alternativ elektrokemisk opbevaring
Ud over klassiske elektrokemiske strømkilder bruges mere usædvanlige systemer også som energilagringsenheder. Et af sådanne systemer er en superkondensator (eller ionistor) - en enhed, hvor ladningsadskillelse og akkumulering sker på grund af dannelsen af et dobbeltlag nær en ladet overflade. Ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen i en sådan enhed er ioner af forskellige tegn opstillet i to lag, det såkaldte "dobbelt elektriske lag", der danner en slags meget tynd kondensator. Kapaciteten af en sådan kondensator, det vil sige mængden af akkumuleret ladning, vil blive bestemt af det specifikke overfladeareal af elektrodematerialet, derfor er det fordelagtigt at tage porøse materialer med et maksimalt specifikt overfladeareal som materiale til superkondensatorer.
Ionistorer er rekordholdere blandt ladningsudladnings kemiske strømkilder med hensyn til ladehastighed, hvilket er en utvivlsom fordel ved denne type enhed. Desværre har de også rekorden for udledningshastighed. Ionistorers energitæthed er otte gange mindre sammenlignet med blybatterier og 25 gange mindre end lithium-ion-batterier. Klassiske "dobbeltlags" ionistorer bruger ikke en elektrokemisk reaktion som deres grundlag, og udtrykket "kondensator" anvendes mest nøjagtigt på dem. Men i de versioner af ionistorer, der er baseret på en elektrokemisk reaktion, og ladningsakkumulering strækker sig ind i dybden af elektroden, er det muligt at opnå højere afladningstider og samtidig opretholde en hurtig ladningshastighed. Indsatsen fra superkondensatorudviklere er rettet mod at skabe hybride enheder med batterier, der kombinerer fordelene ved superkondensatorer, primært høj opladningshastighed, og fordelene ved batterier - høj energiintensitet og lang tid udledning. Forestil dig i den nærmeste fremtid en batteriionistor, der oplades på et par minutter og forsyner en bærbar eller smartphone med strøm i en dag eller mere!
På trods af at energitætheden af superkondensatorer nu stadig er flere gange mindre end energitætheden af batterier, bruges de i forbrugerelektronik og til motorer i forskellige køretøjer, herunder de fleste.
* * *
Således er der i dag et stort antal elektrokemiske enheder, som hver især er lovende for sine specifikke anvendelser. For at forbedre effektiviteten af disse enheder skal forskerne løse en række problemer af både grundlæggende og teknologisk karakter. De fleste af disse opgaver udføres inden for rammerne af et af banebrydende projekter på Ural Federal University, så vi spurgte Maxim Ananyev, direktør for Institute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, professor af Institut for Elektrokemisk Produktionsteknologi ved Institut for Kemisk Teknologi ved Ural Federal University, for at tale om de umiddelbare planer og udsigter for udviklingen af moderne brændselsceller.
N+1: Er der nogen alternativer til de i øjeblikket mest populære lithium-ion-batterier, der forventes i den nærmeste fremtid?
Maxim Ananyev: Moderne indsats fra batteriudviklere er rettet mod at erstatte typen af ladningsbærer i elektrolytten fra lithium til natrium, kalium og aluminium. Som et resultat af udskiftning af lithium vil det være muligt at reducere omkostningerne ved batteriet, selvom vægt- og størrelsesegenskaberne vil stige proportionalt. Med andre ord, med de samme elektriske egenskaber vil et natrium-ion-batteri være større og tungere sammenlignet med et lithium-ion-batteri.
Derudover er et af de lovende udviklingsområder til forbedring af batterier skabelsen af hybride kemiske energikilder baseret på at kombinere metalion-batterier med en luftelektrode, som i brændselsceller. Generelt vil retningen for at skabe hybridsystemer, som det allerede er blevet vist med eksemplet med superkondensatorer, tilsyneladende i den nærmeste fremtid gøre det muligt at se kemiske energikilder på markedet med høje forbrugeregenskaber.
Ural Federal University implementerer sammen med akademiske og industrielle partnere i Rusland og verden i dag seks megaprojekter, der fokuserer på banebrydende områder videnskabelig forskning. Et af sådanne projekter er "Avancerede teknologier for elektrokemisk energi fra kemisk design af nye materialer til ny generation af elektrokemiske enheder til energibesparelse og omdannelse."
En gruppe forskere fra den strategiske akademiske enhed (SAE) på UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, som omfatter Maxim Ananyev, er engageret i design og udvikling af nye materialer og teknologier, herunder brændselsceller, elektrolytiske celler, metal-grafen batterier, elektrokemiske energilagringssystemer og superkondensatorer.
Forskning og videnskabeligt arbejde udføres i konstant samarbejde med Institut for højtemperaturelektrokemi i Ural-grenen af det russiske videnskabsakademi og med støtte fra partnere.
Hvilke brændselsceller er under udvikling og har størst potentiale?
En af de mest lovende typer brændselsceller er protonkeramiske elementer. De har fordele i forhold til polymerbrændselsceller med protonudvekslingsmembran og faste oxidelementer, da de kan fungere med en direkte forsyning af kulbrintebrændstof. Dette forenkler konstruktionen af et kraftværk, der er baseret på protonkeramiske brændselsceller og styresystemet markant, og øger derfor driftssikkerheden. Sandt nok er denne type brændselscelle i øjeblikket historisk mindre udviklet, men moderne videnskabelig forskning giver os mulighed for at håbe på det høje potentiale af denne teknologi i fremtiden.
Hvilke problemer relateret til brændselsceller behandles i øjeblikket på Ural Federal University?
Nu arbejder UrFU-forskere sammen med Institute of High-Temperature Electrochemistry (IVTE) i Ural-grenen af det russiske videnskabsakademi på at skabe højeffektive elektrokemiske enheder og autonome strømgeneratorer til applikationer inden for distribueret energi. Oprettelsen af kraftværker til distribueret energi indebærer i første omgang udvikling af hybridsystemer baseret på en elgenerator og en lagerenhed, som er batterier. Samtidig fungerer brændselscellen konstant og giver belastning i myldretiden, og i tomgang oplader den batteriet, som i sig selv kan fungere som reserve både ved højt energiforbrug og i nødsituationer.
UrFU- og IVTE-kemikernes største succeser er opnået i udviklingen af fastoxid- og protonkeramiske brændselsceller. Siden 2016 er der i Ural, sammen med statens selskab Rosatom, blevet skabt den første i Rusland produktion af kraftværker baseret på fastoxidbrændselsceller. Udviklingen af Ural-forskere har allerede bestået "fuldskala" test på gasrørledningens katodiske beskyttelsesstation på forsøgsstedet for Uraltransgaz LLC. Kraftværket med en nominel effekt på 1,5 kilowatt arbejdede i mere end 10 tusinde timer og viste det høje potentiale for brug af sådanne enheder.
Inden for rammerne af det fælles laboratorium for UrFU og IVTE er udviklingen af elektrokemiske apparater baseret på en protonledende keramisk membran i gang. Dette vil gøre det muligt i den nærmeste fremtid at reducere driftstemperaturerne for fastoxid-brændselsceller fra 900 til 500 grader Celsius og at opgive den foreløbige reformering af kulbrintebrændstoffer og dermed skabe omkostningseffektive elektrokemiske generatorer, der er i stand til at fungere under betingelserne for den udviklede gasforsyningsinfrastruktur i Rusland.
Alexander Dubov
Kort efter at have startet sin rejse, vil Aloy støde på en Forerunner-bunker, der ligger meget tæt på Nora-stammens landområder. Inde i bunkeren, bag en kraftig dør, er der en slags rustning, der ser meget attraktiv ud på afstand.
Telegraf
Tweet
Kort efter at have startet sin rejse, vil Aloy støde på en Forerunner-bunker, der ligger meget tæt på Nora-stammens landområder. Inde i bunkeren, bag en kraftig dør, er der en slags rustning, der ser meget attraktiv ud på afstand.
Denne Shield Weaver er faktisk det bedste udstyr i spillet. Hvordan kommer man dertil? For at åbne den forseglede bunkerdør og få Shield Weaver, skal du finde fem brændselsceller spredt ud over spilverdenen.
Nedenfor vil vi fortælle dig, hvor du skal lede efter brændselsceller, og hvordan du løser gåder under søgningen og i det gamle arsenal.
Brændselscelle #1 - Mother's Heart (Mother's Womb quest)
Aloy vil finde den allerførste brændselscelle allerede før den fulde frigivelse. åben verden. Efter indvielsen vil vores heltinde finde sig selv i Moderens Hjerte, Nora-stammens hellige sted og Matriarkernes bolig.Når Aloy står ud af sengen, vil hun successivt gå gennem flere rum, og i et af dem vil hun støde på en lukket dør, der ikke kan åbnes. Se dig omkring - i nærheden vil der være en ventilationsskakt dekoreret med brændende stearinlys. Du burde tage derhen.
Efter at have gået gennem skakten, vil du finde dig selv bag en låst dør. Se på gulvet ved siden af stearinlysene og vægblokken med et mystisk formål - her er en brændselscelle.
Vigtig: Hvis du ikke henter denne brændselscelle nu, vil du først være i stand til at komme til denne placering igen på de senere stadier af spillet, efter at have fuldført missionen "The Heart of Nora".
Brændselscelle #2 - Ruiner
Aloy har været i disse ruiner før - hun faldt igennem her som barn. Efter at have gennemført indledningen er det værd at huske din barndom og vende tilbage hertil igen for at hente den anden brændselscelle.Indgangen til ruinerne ser sådan ud, hop dristigt.
Du skal bruge ruinernes første niveau, det nederste højre område fremhævet med lilla på kortet. Der er en dør her, som Aloy vil åbne med sit spyd.
Efter at have gået gennem døren, gå op ad trappen og drej til højre - Aloy kunne ikke komme igennem disse drypsten i sin ungdom, men nu har hun et skænderi. Tag spyddet ud igen og knæk drypstenene - vejen er fri, der er kun tilbage at tage brændstofelementet, der ligger på bordet.
Brændselscelle #3 - Master's Limit (Master's Limit quest)
Lad os tage nordpå. Under Master's Reach-historiemissionen udforsker Aloy de gigantiske Forerunner-ruiner. Der er endnu en brændselscelle skjult på ruinernes tolvte niveau.Du skal ikke kun klatre til det øverste niveau af ruinerne, men også klatre lidt højere. Klatre langs den overlevende del af bygningen, indtil du befinder dig på en lille platform, der er åben for alle vindene.
Det er her den tredje brændselscelle ligger. Det eneste, der er tilbage, er at gå ned.
Brændselscelle nr. 4 - Treasure of Death (quest Treasure of Death)
Denne brændselscelle er også skjult i den nordlige del af kortet, men den er meget tættere på Nora-stammens landområder. Aloy kommer også her under historiemissionen.For at komme til elementet skal Aloy genoprette strømmen til den forseglede dør, der er placeret på det tredje niveau af placeringen.
For at gøre dette skal du løse et lille puslespil - på niveauet under døren er der to blokke med fire regulatorer.
Lad os først beskæftige os med den venstre blok af regulatorer. Den første regulator skal "se" op, den anden "til højre", den tredje "til venstre", den fjerde "ned".
Lad os gå videre til højre blok. Du rører ikke ved de to første regulatorer, den tredje og fjerde regulator skal se "nedad".
Vi går et niveau op - her er den sidste blok af regulatorer. Korrekt rækkefølge er: op, ned, venstre, højre.
Hvis du gør alt korrekt, vil alle kontroller skifte farve til turkis, og strømforsyningen genoprettes. Klatre tilbage til døren og åbn den - her er endnu en brændselscelle.
Brændselscelle #5 - GAIA Prime (Fallen Mountain-mission)
Til sidst den sidste brændselscelle - og igen ifølge plotopgaven. Aloy rejser til ruinerne af GAIA Prime.Vær især forsigtig, når du når det tredje niveau. På et tidspunkt vil der foran Aloy være en attraktiv afgrund, som du kan stige ned i på et reb - du bør gå dertil Intet behov.
Det er bedre at dreje til venstre og udforske den skjulte hule, du kan komme ind i den, hvis du forsigtigt går ned ad bjergsiden.
Gå ind og gå frem til det sidste. I det sidste rum til højre vil der være en hylde med den sidste brændselscelle på. Du gjorde det!
På vej til det gamle arsenal
Tilbage er kun at vende tilbage til det gamle arsenal og modtage en velfortjent belønning. Du husker koordinaterne for arsenalet, ikke? Hvis ikke, her er kortet.Gå ned og indsæt brændselsceller i de tomme celler. Regulatorerne har lyst op, nu skal du løse gåden for at åbne døren.
Den første regulator skal se op, den anden til højre, den tredje ned, den fjerde til venstre, den femte op. Den er klar, døren er åben – men den er ikke slut endnu.
Nu skal du låse panserbeslagene op - endnu et regulatorpuslespil, hvor de resterende brændselsceller vil være nyttige. Her skal den første regulator se til højre, den anden til venstre, den tredje op, den fjerde til højre, den femte til venstre.
Endelig, efter al denne pine, har du taget den gamle rustning i besiddelse. Dette er Shield Weaver, et meget sejt stykke udstyr, der gør Aloy praktisk talt usårlig i et stykke tid.
Det vigtigste er omhyggeligt at overvåge rustningens farve: hvis den flimrer hvidt, så er alt i orden. Hvis den er rød, er der ikke mere beskyttelse.
De driver rumskibe National Administration US Aeronautics and Space Administration (NASA). De leverer strøm til computerne i First National Bank i Omaha. De bruges på nogle offentlige bybusser i Chicago.
Disse er alle brændselsceller. Brændselsceller er elektrokemiske apparater, der producerer elektricitet uden forbrænding – kemisk, på nogenlunde samme måde som batterier. Den eneste forskel er, at de bruger forskellige kemikalier, brint og oxygen, og produktet af den kemiske reaktion er vand. Kan også bruges naturgas Men når man bruger kulbrintebrændstoffer, er et vist niveau af kuldioxidemissioner naturligvis uundgåeligt.
Da brændselsceller kan fungere med høj effektivitet og ingen skadelige emissioner, de har store løfter om en bæredygtig energikilde, der vil hjælpe med at reducere emissioner af drivhusgasser og andre forurenende stoffer. Den største hindring for udbredt brug af brændselsceller er deres høje omkostninger sammenlignet med andre enheder, der genererer elektricitet eller driver køretøjer.
Udviklingshistorie
De første brændselsceller blev demonstreret af Sir William Groves i 1839. Groves viste, at elektrolyseprocessen - spaltningen af vand til brint og ilt under påvirkning af en elektrisk strøm - er reversibel. Det vil sige, at brint og oxygen kan kombineres kemisk for at danne elektricitet.
Efter at dette var blevet demonstreret, skyndte mange forskere sig for at studere brændselsceller med iver, men opfindelsen af forbrændingsmotoren og udviklingen af oliereserveinfrastruktur i anden halvdel af det nittende århundrede efterlod udviklingen af brændselsceller langt bagefter. Udviklingen af brændselsceller blev yderligere hæmmet af deres høje omkostninger.
En stigning i udviklingen af brændselsceller skete i 50'erne, da NASA henvendte sig til dem i forbindelse med behovet for en kompakt elektrisk generator til rumflyvninger. Investeringen blev foretaget, og Apollo- og Gemini-flyvningerne blev drevet af brændselsceller. Rumfartøjer kører også på brændselsceller.
Brændselsceller er stadig i høj grad en eksperimentel teknologi, men flere virksomheder sælger dem allerede på det kommercielle marked. Alene inden for de sidste næsten ti år er der sket betydelige fremskridt inden for kommerciel brændselscelleteknologi.
Hvordan fungerer en brændselscelle?
Brændselsceller ligner batterier- De producerer strøm som følge af en kemisk reaktion. Derimod forbrænder forbrændingsmotorer brændstof og producerer dermed varme, som så omdannes til mekanisk energi. Medmindre varmen fra udstødningsgasserne bruges på en eller anden måde (f.eks. til opvarmning eller aircondition), så kan man sige, at Motoreffektivitet intern forbrænding er ret lav. For eksempel forventes effektiviteten af brændselsceller, når de bruges i et køretøj, et projekt, der er under udvikling, at være mere end dobbelt så effektivt som nutidens typiske benzinmotorer, der bruges i biler.
Selvom både batterier og brændselsceller producerer elektricitet kemisk, udfører de to vidt forskellige funktioner. Batterier er lagrede energienheder: den elektricitet, de producerer, er resultatet af en kemisk reaktion af et stof, der allerede er inde i dem. Brændselsceller lagrer ikke energi, men omsætter derimod noget af energien fra eksternt tilført brændsel til elektricitet. I denne henseende ligner en brændselscelle mere et konventionelt kraftværk.
Der findes flere forskellige typer brændselsceller. Den enkleste brændselscelle består af en speciel membran kendt som en elektrolyt. Pulveriserede elektroder påføres på begge sider af membranen. Dette design - en elektrolyt omgivet af to elektroder - er et separat element. Brint går til den ene side (anode), og oxygen (luft) til den anden (katode). Forskellige kemiske reaktioner forekommer ved hver elektrode.
Ved anoden nedbrydes brint til en blanding af protoner og elektroner. I nogle brændselsceller er elektroderne omgivet af en katalysator, normalt lavet af platin eller andre ædelmetaller, som fremmer dissociationsreaktionen:
2H2 ==> 4H+ + 4e-.
H2 = diatomisk brintmolekyle, form, in
hvor hydrogen er til stede i form af en gas;
H+ = ioniseret brint, dvs. proton;
e- = elektron.
Driften af en brændselscelle er baseret på, at elektrolytten tillader protoner at passere gennem den (mod katoden), men det gør elektroner ikke. Elektroner bevæger sig til katoden langs et eksternt ledende kredsløb. Denne bevægelse af elektroner er en elektrisk strøm, der kan bruges til at drive ekstern enhed tilsluttet en brændselscelle, såsom en elmotor eller pære. Denne enhed kaldes normalt en "belastning".
På katodesiden af brændselscellen "rekombineres" protoner (der er gået gennem elektrolytten) og elektroner (der har passeret gennem den eksterne belastning) og reagerer med ilten, der tilføres katoden, og danner vand, H2O:
4H+ + 4e- + O2 ==> 2H20.
Den samlede reaktion i en brændselscelle er skrevet som følger:
2H2 + O2 ==> 2H20.
I deres arbejde bruger brændselsceller brint brændstof og ilt fra luften. Brint kan tilføres direkte eller ved at adskille det fra en ekstern brændstofkilde såsom naturgas, benzin eller methanol. I tilfælde af en ekstern kilde skal den omdannes kemisk for at udvinde brinten. Denne proces kaldes "reformering". Brint kan også produceres fra ammoniak, alternative ressourcer såsom gas fra bydepoter og spildevandsrensningsanlæg og fra vandelektrolyse, som bruger elektricitet til at bryde vand til brint og ilt. I øjeblikket bruger de fleste brændselscelleteknologier, der bruges i transport, methanol.
At reformere brændstoffer for at producere brint til brændselsceller, forskellige midler. Det amerikanske energiministerium har udviklet en brændstofenhed inde i en benzinreformer til at levere brint til en selvstændig brændselscelle. Forskere fra Pacific Northwest National Laboratory i USA har demonstreret en kompakt brændstofreformer en tiendedel på størrelse med en strømforsyning. Det amerikanske forsyningsselskab Northwest Power Systems og Sandia National Laboratories har demonstreret en brændstofreformer, der omdanner dieselbrændstof til brint til brændselsceller.
Hver for sig producerer brændselscellerne omkring 0,7-1,0V hver. For at øge spændingen samles elementerne til en "kaskade", dvs. seriel forbindelse. For at skabe mere strøm er sæt af kaskadede elementer forbundet parallelt. Kombinerer du brændselscellekaskader med et brændstofsystem, et lufttilførsels- og kølesystem og et styresystem, får du en brændselscellemotor. Denne motor kan køre køretøj, stationært kraftværk eller bærbar elektrisk generator6. Brændselscellemotorer er forskellige størrelser afhængig af formål, type brændselscelle og brændstof, der bruges. For eksempel er hvert af de fire separate 200 kW stationære kraftværker installeret ved en bank i Omaha omtrent på størrelse med en lastbilanhænger.
Ansøgninger
Brændselsceller kan bruges i både stationære og mobile enheder. Som reaktion på de skærpede emissionsbestemmelser i USA er bilproducenter inklusive DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda og Nissan begyndt at eksperimentere med og demonstrere brændselscelledrevne køretøjer. De første kommercielle brændselscellebiler forventes at komme på vejen i 2004 eller 2005.
En vigtig milepæl i udviklingen af brændselscelleteknologi var demonstrationen i juni 1993 af Ballard Power Systems eksperimentelle 32-fods bybus drevet af en 90 kilowatt brintbrændselscellemotor. Siden da er mange forskellige typer og forskellige generationer af brændselscelle personbiler blevet udviklet og taget i brug. forskellige typer brændstof. Siden slutningen af 1996 har tre brintbrændselscelle-golfvogne været i brug i Palm Desert, Californien. På vejene i Chicago, Illinois; Vancouver, Britisk Columbia; og Oslo, Norge, testes bybusser drevet af brændselsceller. Taxaer drevet af alkaliske brændselsceller testes i Londons gader.
Stationære installationer, der anvender brændselscelleteknologi, bliver også demonstreret, men de er endnu ikke udbredt kommercielt. Først nationalbank Omaha i Nebraska bruger et brændselscellesystem til at drive sine computere, fordi det er mere pålideligt end gammelt system, der opererer fra hovednetværket med nødbatteristrøm. Verdens største kommercielle brændselscellesystem, vurderet til 1,2 MW, vil snart blive installeret på et postbehandlingscenter i Alaska. Brændselscelledrevne bærbare bærbare computere, kontrolsystemer brugt i spildevandsrensningsanlæg og salgsautomater bliver også testet og demonstreret.
"For" og "mod"
Brændselsceller har en række fordele. Mens moderne forbrændingsmotorer kun er 12-15 % effektive, er brændselsceller 50 % effektive. Effektiviteten af brændselsceller kan forblive ganske højt niveau, selv når de ikke bruges ved fuld nominel effekt, hvilket er en seriøs fordel sammenlignet med benzinmotorer.
Det modulære design af brændselsceller betyder, at effekten af et brændselscellekraftværk kan øges blot ved at tilføje flere trin. Dette sikrer, at kapacitetsunderudnyttelsen minimeres, hvilket giver mulighed for bedre matchning af udbud og efterspørgsel. Da effektiviteten af en brændselscellestak bestemmes af ydeevnen individuelle elementer, små brændselscellekraftværker fungerer lige så effektivt som store. Derudover kan spildvarme fra stationære brændselscellesystemer bruges til vand- og rumopvarmning, hvilket yderligere øger energieffektiviteten.
Der er stort set ingen skadelige emissioner ved brug af brændselsceller. Når en motor kører på ren brint, produceres der kun varme og ren vanddamp som biprodukter. Så på rumskibe drikker astronauter vand, som er dannet som følge af driften af brændselsceller ombord. Sammensætningen af emissioner afhænger af arten af brintkilden. Methanol producerer nul nitrogenoxid- og kulilteudledninger og kun små kulbrinteemissioner. Emissionerne stiger, når du går fra brint til methanol og benzin, selvom selv med benzin vil emissionerne forblive ret lave. Under alle omstændigheder vil en udskiftning af nutidens traditionelle forbrændingsmotorer med brændselsceller føre til en samlet reduktion af CO2- og nitrogenoxidemissioner.
Brugen af brændselsceller giver fleksibilitet til energiinfrastrukturen, hvilket skaber yderligere funktioner til decentral elproduktion. Mangfoldigheden af decentraliserede energikilder gør det muligt at reducere tab under eltransmission og udvikle energimarkeder (hvilket er særligt vigtigt for fjerntliggende områder og landdistrikter uden adgang til elledninger). Ved hjælp af brændselsceller kan enkelte beboere eller nabolag levere det meste af deres egen strøm og dermed øge energieffektiviteten markant.
Brændselsceller giver energi høj kvalitet og øget pålidelighed. De er holdbare, har ingen bevægelige dele og producerer en konstant mængde energi.
Brændselscelleteknologien skal dog forbedres yderligere for at forbedre ydeevnen, reducere omkostningerne og dermed gøre brændselsceller konkurrencedygtige med andre energiteknologier. Det skal bemærkes, at når energiteknologiernes omkostningskarakteristika tages i betragtning, skal sammenligninger foretages på basis af alle komponenter teknologiske egenskaber, herunder kapitaldriftsomkostninger, forurenende emissioner, energikvalitet, holdbarhed, nedlukning og fleksibilitet.
Selvom brintgas er det bedste brændstof, eksisterer infrastrukturen eller transportgrundlaget for det endnu ikke. I den nærmeste fremtid vil eksisterende fossile brændselsforsyningssystemer (tankstationer osv.) kunne bruges til at forsyne kraftværker med kilder til brint i form af benzin, methanol eller naturgas. Dette ville eliminere behovet for dedikerede brinttankstationer, men ville kræve, at hvert køretøj har en fossil brændstof-til-brint-konverter ("reformer") installeret. Ulempen ved denne tilgang er, at den bruger fossile brændstoffer og dermed resulterer i kuldioxidemissioner. Methanol, den nuværende førende kandidat, producerer færre emissioner end benzin, men ville kræve en større beholder i køretøjet, fordi det fylder dobbelt så meget for det samme energiindhold.
I modsætning til forsyningssystemer til fossilt brændsel kunne sol- og vindsystemer (ved at bruge elektricitet til at skabe brint og ilt fra vand) og direkte fotokonverteringssystemer (ved at bruge halvledermaterialer eller enzymer til at producere brint) levere brint uden et reformeringstrin, og således kunne emissioner undgås skadelige stoffer, som observeres ved brug af methanol eller benzin brændselsceller. Brinten kunne lagres og omdannes til elektricitet i brændselscellen efter behov. Når man ser fremad, vil parring af brændselsceller med denne slags vedvarende energikilder sandsynligvis være en effektiv strategi til at levere en produktiv, miljøvenlig og alsidig energikilde.
IEERs anbefalinger er, at lokale, føderale og statslige regeringer allokerer en del af deres transportbudgetter til brændselscellekøretøjer, samt stationære systemer bruge brændselsceller til at levere varme og elektricitet til nogle af dets betydelige eller nye bygninger. Dette vil fremme udviklingen af vital teknologi og reducere udledningen af drivhusgasser.
Gamle Arsenal er en af sideopgaverne i Horizon Zero Dawn. Det starter, når du finder din første brændselscelle, eller en hemmelig bunker med panser lavet af Ultrafabrics (Shield Weaver). For at afslutte det skal du finde alle brændselscellerne, løse gåderne i bunkeren og tage rustningen. I denne guide vil vi vise dig, hvordan du fuldfører Ancient Arsenal-missionen i Horizon Zero Dawn.
Placering af "Ancient Arsenal"
Panserbunkeren er placeret på den østlige side af kortet i Ruinerne sydvest for Knights-området og nordvest for Trader. Du kan finde dem ved at klatre på klipperne. Øverst, hop ned i hullet, vær ikke bange, der vil være vand der. Hvis du har været på jagt efter Metal blomster, så burde du allerede vide om placeringen Gamle Arsenal . Det er samme sted.
 |  |
Sådan låser du det gamle Arsenal-rustning op
Du bliver nødt til at samle 5 brændselsceller at aktivere hololocks og løse gåder. Alle findes under passagen af hovedmissionerne, med undtagelse af den første. Hvis du savner dem første gang, kan du vende tilbage til dem senere. De vises som grønne ikoner, når du er i nærheden, og de kan alle findes i gamle bunkere og ruiner.
Brændselscelle #1: Det første element er i bunkeren helt i begyndelsen af spillet, hvor Aloy finder sit visir. Du vil ikke være i stand til at komme til det, mens Aloy er et barn. Dette kan gøres under hendes andet besøg. Se efter dannelsen af drypsten, der blokerer døråbning. De kan knækkes med et spyd.
 |  |
Brændselscelle #2: Hun kan findes i Maw of the Mountain Store Moder. Det er her Aloy vågner op, efter at have mistet alt sit udstyr efter indvielsesmissionen. Varens placering er det samme sted, hvor du fandt dit udstyr. Se efter en låst dør til venstre for den er der et lille hul, du kan gå ind i. Kravl langs den og tag det andet element.
 |  |
Brændselscelle #3: Denne genstand kan findes i ruiner Dødens Skat i den nordøstlige del af kortet. Undersøg skuffen bag døren med tre hullåse for at finde en genstand.
 |  |
Brændselscelle #4: Find denne genstand i questen Mesterens grænse. Dette er en søgen, der ender med Aloy i et faldefærdigt bestyrelseslokale, efter hun har lært om maskinernes oprindelse. Kig øst for bordet. Du vil se en sten, som du kan klatre op. Fortsæt med at gå op, indtil du finder det fjerde element.
 |  |
Brændselscelle #5: Du kan tage hans søgen Faldet Bjerg i ruiner Gay Prime. Efter at have snakket i værkstedet med Silence, bag døren, gå ned af skakten, når du kommer ud af grotten er der en hemmelig sti til venstre, som du kan bruge til at komme ind i en tunnel i bjerget. Gå dertil, indtil du ser en hylde med den sidste brændselscelle.
 |  |  |
Låser det gamle arsenal op
Når du har alle brændselscellerne, skal du vende tilbage til ruinerne, hvor du fandt rustningen. Indsæt de to første brændselsceller i hullerne. Et tip til oplåsning af døren kan ses på terminalen til højre. Koden angiver tiden i 24-timers format. Drej låsene i denne rækkefølge: op, højre, ned, venstre, op.
USA har flere initiativer rettet mod at udvikle brintbrændselsceller, infrastruktur og teknologi for at gøre brændselscellekøretøjer praktiske og brændstofeffektive inden 2020. Mere end en milliard dollars er blevet afsat til disse formål.
Brændselsceller genererer elektricitet stille og effektivt uden forurening miljø. I modsætning til energikilder, der bruger fossile brændstoffer, er biprodukterne fra brændselsceller varme og vand. Hvordan virker dette?
I denne artikel vil vi kort se på hver af de eksisterende brændstofteknologier i dag, og vi vil også tale om opbygningen og driften af brændselsceller, og sammenligne dem med andre former for energiproduktion. Vi vil også diskutere nogle af de forhindringer, forskere står over for i at gøre brændselsceller praktiske og overkommelige for forbrugerne.
Brændselsceller er elektrokemisk energiomdannelsesudstyr. En brændselscelle omdanner kemikalier, brint og ilt, til vand og genererer elektricitet i processen.
En anden elektrokemisk enhed, som vi alle er meget fortrolige med, er batteriet. Batteriet har alt hvad du behøver kemiske elementer inde i sig selv og omdanner disse stoffer til elektricitet. Det betyder, at batteriet til sidst dør, og du enten smider det væk eller oplader det igen.
I en brændselscelle bliver kemikalier konstant tilført den, så den aldrig "dør". Elektricitet vil blive genereret, så længe der kommer kemikalier ind i grundstoffet. De fleste brændselsceller, der er i brug i dag, bruger brint og ilt.
Brint er det mest udbredte grundstof i vores galakse. Imidlertid eksisterer brint praktisk talt ikke på Jorden i sin elementære form. Ingeniører og videnskabsmænd skal udvinde rent brint fra brintforbindelser, herunder fossile brændstoffer eller vand. For at udvinde brint fra disse forbindelser skal du bruge energi i form af varme eller elektricitet.
Opfindelsen af brændselsceller
Sir William Grove opfandt den første brændselscelle i 1839. Grove vidste, at vand kunne opdeles til brint og ilt ved at lede en elektrisk strøm gennem det (en proces kaldet elektrolyse). Han foreslog, at det i omvendt rækkefølge ville være muligt at få strøm og vand. Han skabte en primitiv brændselscelle og kaldte den gas galvanisk batteri. Efter at have eksperimenteret med sin nye opfindelse, beviste Grove sin hypotese. Halvtreds år senere opfandt forskerne Ludwig Mond og Charles Langer udtrykket brændselsceller når man forsøger at bygge en praktisk model til at generere elektricitet.
Brændselscellen vil konkurrere med mange andre energikonverteringsenheder, bl.a gasturbiner på bykraftværker, forbrændingsmotorer i biler, samt alle slags batterier. Forbrændingsmotorer, samt gasturbiner, brænde forskellige typer brændstoffer og bruge det tryk, der skabes ved udvidelsen af gasser, til at udføre mekanisk arbejde. Batterier omdanner kemisk energi til elektrisk energi når det er nødvendigt. Brændselsceller skal udføre disse opgaver mere effektivt.
Brændselscellen leverer DC (jævnstrøm) spænding, som kan bruges til at drive elektriske motorer, lys og andre elektriske apparater.
Der er flere forskellige typer brændselsceller, som hver bruger forskellige kemiske processer. Brændselsceller er normalt klassificeret efter deres driftstemperatur Og typeelektrolyt, som de bruger. Nogle typer brændselsceller er velegnede til brug i stationære kraftværker. Andre kan være nyttige til små bærbare enheder eller til at drive biler. De vigtigste typer brændselsceller omfatter:
Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)
PEMFC anses for at være den mest sandsynlige kandidat til transportansøgninger. PEMFC har både høj effekt og relativt lav driftstemperatur (spænder fra 60 til 80 grader Celsius). Lave driftstemperaturer betyder, at brændselsceller hurtigt kan varmes op for at begynde at generere elektricitet.
Fast oxid brændselscelle (SOFC)
Disse brændselsceller er mest velegnede til store stationære strømgeneratorer, der kan drive fabrikker eller byer. Denne type brændselscelle fungerer ved meget høje temperaturer (700 til 1000 grader Celsius). Høj temperatur udgør et pålidelighedsproblem, fordi nogle brændselsceller kan svigte efter et par tænd-sluk-cyklusser. Fastoxidbrændselsceller er dog meget stabile under kontinuerlig drift. Faktisk har SOFC'er vist den længste levetid for enhver brændselscelle under visse forhold. Den høje temperatur har også den fordel, at dampen produceret af brændselscellerne kan sendes til turbiner og generere mere elektricitet. Denne proces kaldes kraftvarmeproduktion af varme og el og forbedrer den overordnede systemeffektivitet.
Alkalisk brændselscelle (AFC)
Det er et af de ældste designs til brændselsceller, der har været i brug siden 1960'erne. AFC'er er meget modtagelige for forurening, da de kræver ren brint og ilt. Derudover er de meget dyre, så denne type brændselsceller vil næppe blive sat i masseproduktion.
Smeltet-carbonat brændselscelle (MCFC)
Ligesom SOFC'er er disse brændselsceller også bedst egnede til store stationære kraftværker og generatorer. De opererer ved 600 grader Celsius, så de kan generere damp, som igen kan bruges til at generere endnu mere energi. De har en lavere driftstemperatur end fastoxidbrændselsceller, hvilket betyder, at de ikke kræver sådanne varmebestandige materialer. Det gør dem lidt billigere.
Fosforsyre brændselscelle (PAFC)
Brændselscelle tændt fosforsyre har potentiale til brug i små stationære elsystemer. Den fungerer ved en højere temperatur end en brændselscelle med polymerudvekslingsmembran, så det tager længere tid at varme op, hvilket gør den uegnet til brug i biler.
Direkte methanol brændselscelle (DMFC)
Methanol brændselsceller er sammenlignelige med PEMFC med hensyn til driftstemperatur, men er ikke så effektive. Derudover kræver DMFC'er ganske stor mængde platin fungerer som en katalysator, hvilket gør disse brændselsceller dyre.
Brændselscelle med polymer udvekslingsmembran
Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC) er en af de mest lovende brændselscelleteknologier. PEMFC bruger en af de enkleste reaktioner af enhver brændselscelle. Lad os se på, hvad det består af.
1. EN node – negativ terminal på brændselscellen. Det leder elektroner, der frigives fra brintmolekyler, hvorefter de kan bruges i et eksternt kredsløb. Den har indgraverede kanaler, gennem hvilke brintgas fordeles jævnt over katalysatorens overflade.
2.TIL athode - positiv terminal af brændselscellen, har også kanaler til fordeling af ilt over overfladen af katalysatoren. Det leder også elektroner tilbage fra katalysatorens ydre kredsløb, hvor de kan kombineres med brint- og oxygenioner for at danne vand.
3.Elektrolyt-proton udvekslingsmembran. Dette er et specialbehandlet materiale, der kun leder positivt ladede ioner og blokerer elektroner. Med PEMFC skal membranen være hydreret for at fungere korrekt og forblive stabil.
4. Katalysator er et specielt materiale, der fremmer reaktionen af ilt og brint. Det er typisk lavet af platinnanopartikler påført meget tyndt på carbonpapir eller stof. Katalysatoren har en sådan overfladestruktur, at maksimalt areal platinoverfladen kan blive udsat for brint eller oxygen.
Figuren viser brintgas (H2), der kommer ind i brændselscellen under tryk fra anodesiden. Når et H2-molekyle kommer i kontakt med platin på katalysatoren, spaltes det i to H+-ioner og to elektroner. Elektronerne passerer gennem anoden, hvor de bruges i eksterne kredsløb (gør nyttigt arbejde, såsom at dreje en motor), og vender tilbage til katodesiden af brændselscellen.
I mellemtiden passerer ilt (O2) fra luften på katodesiden af brændselscellen gennem katalysatoren, hvor den danner to oxygenatomer. Hvert af disse atomer har en stærk negativ ladning. Denne negative ladning tiltrækker to H+ ioner hen over membranen, hvor de kombineres med et oxygenatom og to elektroner, der kommer fra eksternt kredsløb at danne et vandmolekyle (H2O).
Denne reaktion i en enkelt brændselscelle producerer kun omkring 0,7 volt. For at hæve spændingen til et rimeligt niveau skal mange individuelle brændselsceller kombineres for at danne en brændselscellestak. Bipolære plader bruges til at forbinde en brændselscelle til en anden og gennemgår oxidation for at reducere potentialet. Stort problem bipolære plader - deres stabilitet. Bipolære metalplader kan korroderes, og biprodukter (jern- og kromioner) reducerer effektiviteten af brændselscellemembranerne og elektroderne. Derfor bruger lavtemperaturbrændselsceller letmetaller, grafit og kompositter af kulstof og termohærdende (en termohærdende er en slags plast, der forbliver fast, selv når de udsættes for høje temperaturer) i form af bipolært plademateriale.
Brændselscelleeffektivitet
Reduktion af forurening er et af hovedmålene for en brændselscelle. Ved at sammenligne en bil drevet af en brændselscelle med en bil drevet af en benzinmotor og en bil drevet af et batteri, kan du se, hvordan brændselsceller kan forbedre effektiviteten af biler.
Da alle tre typer biler har mange af de samme komponenter, vil vi ignorere denne del af bilen og sammenligne de nyttige handlinger indtil det punkt, hvor der produceres mekanisk energi. Lad os starte med brændselscellebilen.
Hvis brændselscellen drives af ren brint, kan dens effektivitet være op til 80 procent. Dermed omdanner den 80 procent af energiindholdet i brint til elektricitet. Vi skal dog stadig omdanne elektrisk energi til mekanisk arbejde. Dette opnås ved hjælp af en elektrisk motor og en inverter. Effektiviteten af motor + inverter er også cirka 80 procent. Dette giver en samlet effektivitet på cirka 80*80/100=64 procent. Hondas FCX konceptbil har angiveligt 60 procent energieffektivitet.
Hvis brændstofkilden ikke er i form af ren brint, vil køretøjet også have brug for en reformer. Reformatorer omdanner kulbrinte- eller alkoholbrændstoffer til brint. De genererer varme og producerer CO og CO2 udover brint. For at rense den resulterende brint, bruger de forskellige enheder, men denne rengøring er utilstrækkelig og reducerer brændselscellens effektivitet. Så forskerne besluttede at fokusere på brændselsceller til køretøjer drevet af ren brint på trods af udfordringerne forbundet med brintproduktion og -lagring.
Effektiviteten af en benzinmotor og en batteri-elbil
Effektiviteten af en bil drevet af benzin er overraskende lav. Alle høj temperatur, der kommer ud som udstødning eller absorberes af radiatoren, er spildt energi. Motoren bruger også meget strøm på at drive de forskellige pumper, blæsere og generatorer, der holder den kørende. Således den fulde effektivitet af bilen benzin motor er cirka 20 pct. Kun omkring 20 procent af benzinens termiske energiindhold omdannes således til mekanisk arbejde.
Et batteridrevet elektrisk køretøj har ret høj effektivitet. Batteriet er cirka 90 procent effektivt (de fleste batterier genererer noget varme eller kræver opvarmning), og motoren + inverteren er cirka 80 procent effektiv. Det giver en samlet effektivitet på cirka 72 procent.
Men det er ikke alt. For at en elbil kan bevæge sig, skal der først genereres strøm et sted. Hvis det var et kraftværk, der brugte en forbrændingsproces af fossilt brændsel (i stedet for atomkraft, vandkraft, sol- eller vindkraft), så blev kun cirka 40 procent af det brændstof, som kraftværket forbrugte, omdannet til elektricitet. Desuden kræver processen med at oplade en bil at konvertere vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC). Denne proces har en effektivitet på cirka 90 procent.
Hvis vi nu ser på hele cyklussen, er effektiviteten af et elektrisk køretøj 72 procent for selve køretøjet, 40 procent for kraftværket og 90 procent for opladning af køretøjet. Det giver en samlet effektivitet på 26 procent. Den samlede effektivitet varierer betydeligt afhængigt af, hvilket kraftværk der bruges til at oplade batteriet. Kommer bilens strøm fra eksempelvis et vandkraftværk, vil elbilens virkningsgrad være cirka 65 procent.
Forskere forsker i og forbedrer designs for at fortsætte med at forbedre effektiviteten af brændselscellen. En ny tilgang ville være at kombinere brændselscelle- og batteridrevne køretøjer. Et konceptbil drevet af en hybrid drivlinje drevet af en brændselscelle er under udvikling. Den bruger et lithiumbatteri til at drive bilen, mens brændselscellen genoplader batteriet.
Brændselscellekøretøjer er potentielt lige så effektive som en batteridrevet bil, der oplades fra et kraftværk, der ikke bruger fossile brændstoffer. Men at opnå et sådant potentiale er praktisk og på en tilgængelig måde kan vise sig vanskeligt.
Hvorfor bruge brændselsceller?
Hovedårsagen er alt relateret til olie. Amerika skal importere næsten 60 procent af sin olie. I 2025 forventes importen at stige til 68 %. Amerikanerne bruger to tredjedele af olien dagligt til transport. Selv hvis hver bil på gaden var en hybridbil, ville USA i 2025 stadig skulle bruge den samme mængde olie, som amerikanerne forbrugte i 2000. Faktisk forbruger Amerika en fjerdedel af al den olie, der produceres i verden, selvom kun 4,6% af verdens befolkning bor her.
Eksperter forventer, at oliepriserne vil fortsætte med at stige i løbet af de næste par årtier, efterhånden som billigere kilder svinder ind. Olieselskaber skal i stigende grad udvikle oliefelter vanskelige forhold, hvilket vil øge oliepriserne.
Bekymringer rækker langt ud over økonomisk sikkerhed. Mange penge, der kommer fra oliesalg, bruges på at støtte international terrorisme, radikal politiske partier, ustabil situation i olieproducerende regioner.
Brugen af olie og andre fossile brændstoffer til energi giver forurening. Det er bedst for alle at finde et alternativ til afbrænding af fossile brændstoffer til energi.
Brændselsceller er et attraktivt alternativ til olieafhængighed. Brændselsceller producerer i stedet for forurening rent vand som et biprodukt. Mens ingeniører midlertidigt har fokuseret på at producere brint fra forskellige fossile kilder såsom benzin eller naturgas, udforskes vedvarende, miljøvenlige måder at producere brint på i fremtiden. Den mest lovende vil naturligvis være processen med at producere brint fra vand
Afhængighed af olie og global opvarmning — internationalt problem. Flere lande er i fællesskab involveret i at fremme forskning og udvikling inden for brændselscelleteknologi.
Det er klart, at forskere og producenter har meget arbejde at gøre, før brændselsceller bliver et alternativ moderne metoder energiproduktion. Men med verdensomspændende støtte og globalt samarbejde kan et levedygtigt brændselscellekraftsystem blive en realitet inden for blot et par årtier.