Trend dan prospek sel bahan api hidrogen untuk pengangkutan bersih

Artikel ini akan memberi tumpuan kepada sel bahan api hidrogen, trend dan prospek untuk penggunaannya. Sel bahan api berasaskan hidrogen semakin menarik perhatian dalam industri automotif hari ini, kerana jika abad ke-20 adalah abad kepada enjin pembakaran dalaman, maka abad ke-21 mungkin menjadi abad tenaga hidrogen dalam industri automotif. Sudah hari ini, terima kasih kepada sel hidrogen, kapal angkasa berfungsi, dan di beberapa negara di dunia, hidrogen telah digunakan selama lebih daripada 10 tahun untuk menjana elektrik.

Sel bahan api hidrogen ialah peranti elektrokimia seperti bateri yang menjana elektrik melalui tindak balas kimia antara hidrogen dan oksigen, dan hasil tindak balas kimia adalah air tulen, manakala gas asli yang terbakar, contohnya, menghasilkan karbon dioksida yang berbahaya kepada alam sekitar.

Di samping itu, sel hidrogen boleh beroperasi dengan kecekapan yang lebih tinggi, itulah sebabnya ia sangat menjanjikan. Bayangkan enjin kereta yang cekap dan mesra alam.Tetapi keseluruhan infrastruktur kini dibina dan khusus untuk produk petroleum, dan pengenalan besar-besaran sel hidrogen dalam industri automotif menghadapi halangan ini dan lain-lain.

Sementara itu, sejak 1839 diketahui bahawa hidrogen dan oksigen boleh bergabung secara kimia dan dengan itu memperoleh arus elektrik, iaitu, proses elektrolisis air boleh diterbalikkan — ini adalah fakta saintifik yang disahkan. Sudah pada abad ke-19, sel bahan api mula dikaji, tetapi perkembangan pengeluaran minyak dan penciptaan enjin pembakaran dalaman meninggalkan sumber tenaga hidrogen dan mereka menjadi sesuatu yang eksotik, tidak menguntungkan dan mahal untuk dihasilkan.

Pada tahun 1950-an, NASA terpaksa menggunakan sel bahan api hidrogen, dan kemudian di luar keperluan. Mereka memerlukan penjana kuasa yang padat dan cekap untuk kapal angkasa mereka. Akibatnya, Apollo dan Gemini terbang ke angkasa dengan sel bahan api hidrogen, yang ternyata menjadi penyelesaian terbaik.

Hari ini, sel bahan api benar-benar kehabisan teknologi eksperimen, dan dalam tempoh 20 tahun yang lalu kemajuan ketara telah dicapai dalam pengkomersilan mereka yang lebih luas.

Tidak sia-sia harapan yang tinggi diletakkan pada sel bahan api hidrogen. Dalam proses kerja mereka, pencemaran alam sekitar adalah minimum, kelebihan teknikal dan keselamatan jelas, di samping itu, bahan api jenis ini pada asasnya autonomi dan mampu menggantikan bateri litium yang berat dan mahal.

Bahan api sel hidrogen ditukar kepada tenaga secara langsung dalam perjalanan tindak balas kimia, dan di sini lebih banyak tenaga diperoleh daripada pembakaran konvensional.Ia menggunakan lebih sedikit bahan api dan kecekapan adalah tiga kali lebih tinggi daripada peranti serupa yang menggunakan bahan api fosil.

Kecekapan akan menjadi lebih tinggi, lebih teratur cara menggunakan air dan haba yang dihasilkan semasa tindak balas. Pelepasan bahan berbahaya adalah minimum, kerana hanya air, tenaga dan haba yang dibebaskan, walaupun dengan proses pembakaran bahan api tradisional yang paling berjaya, nitrogen oksida, sulfur, karbon dan produk pembakaran lain yang tidak diperlukan pasti terbentuk.

Di samping itu, industri bahan api konvensional sendiri mempunyai kesan buruk terhadap alam sekitar, dan sel bahan api hidrogen mengelakkan pencerobohan berbahaya ke atas ekosistem, kerana pengeluaran hidrogen adalah mungkin daripada sumber tenaga boleh diperbaharui sepenuhnya. Malah kebocoran gas ini tidak berbahaya, kerana ia menyejat serta-merta.

Sel bahan api tidak kira dari mana hidrogen bahan api diperoleh untuk operasinya. Ketumpatan tenaga dalam kWj / l akan sama, dan penunjuk ini sentiasa meningkat dengan peningkatan teknologi untuk mencipta sel bahan api.

Hidrogen itu sendiri boleh didapati daripada mana-mana sumber tempatan yang mudah, sama ada gas asli, arang batu, biojisim atau elektrolisis (melalui angin, tenaga suria, dll.) Kebergantungan kepada pembekal elektrik serantau hilang, sistem biasanya bebas daripada rangkaian elektrik.

Suhu operasi sel agak rendah dan boleh berbeza dari 80 hingga 1000 ° C, bergantung pada jenis elemen, manakala suhu dalam enjin pembakaran dalaman moden konvensional mencapai 2300 ° C.Sel bahan api adalah padat, mengeluarkan bunyi bising yang minimum semasa penjanaan, tidak mempunyai pelepasan bahan berbahaya, jadi ia boleh diletakkan di mana-mana tempat yang mudah dalam sistem di mana ia berfungsi.

Pada dasarnya, bukan sahaja elektrik, tetapi juga haba yang dibebaskan semasa tindak balas kimia boleh digunakan untuk tujuan yang berguna, contohnya untuk pemanasan air, pemanasan ruang atau penyejukan - dengan pendekatan ini, kecekapan penjanaan tenaga dalam sel akan menghampiri 90%.

Sel-sel sensitif kepada perubahan dalam beban, jadi apabila penggunaan kuasa meningkat, lebih banyak bahan api mesti dibekalkan. Ini serupa dengan cara enjin petrol atau penjana pembakaran dalaman berfungsi. Secara teknikal, sel bahan api dilaksanakan dengan agak mudah, kerana tiada bahagian yang bergerak, reka bentuknya mudah dan boleh dipercayai, dan kebarangkalian kegagalan pada asasnya sangat kecil.

Sel bahan api hidrogen-oksigen dengan membran pertukaran proton (contohnya «dengan elektrolit polimer») mengandungi membran yang mengalirkan proton daripada polimer (Nafion, polybenzimidazole, dll.), yang memisahkan dua elektrod - anod dan katod. Setiap elektrod biasanya adalah plat karbon (matriks) dengan mangkin yang disokong—platinum atau aloi platinoid dan sebatian lain.

Pada pemangkin anod, hidrogen molekul tercerai dan kehilangan elektron. Kation hidrogen diangkut merentasi membran ke katod, tetapi elektron didermakan ke litar luar kerana membran tidak membenarkan elektron melaluinya. Pada pemangkin katod, molekul oksigen bergabung dengan elektron (yang dibekalkan oleh komunikasi luaran) dan proton masuk dan membentuk air, yang merupakan satu-satunya hasil tindak balas (dalam bentuk wap dan / atau cecair).

Ya, kereta elektrik hari ini menggunakan bateri litium. Walau bagaimanapun, sel bahan api hidrogen boleh menggantikannya. Daripada bateri, sumber kuasa akan menyokong lebih sedikit berat. Di samping itu, kuasa kereta boleh ditingkatkan sama sekali bukan disebabkan oleh peningkatan berat akibat penambahan sel bateri, tetapi hanya dengan melaraskan bekalan bahan api kepada sistem semasa ia berada di dalam silinder. Oleh itu, pengeluar kereta mempunyai jangkaan yang tinggi untuk sel bahan api hidrogen.

Lebih 10 tahun yang lalu, kerja-kerja penciptaan kereta hidrogen bermula di banyak negara di seluruh dunia, terutamanya di Amerika Syarikat dan Eropah. Oksigen boleh diekstrak terus dari udara atmosfera menggunakan unit pemampat penapis khas yang terletak di atas kenderaan. Hidrogen termampat disimpan dalam silinder tugas berat di bawah tekanan kira-kira 400 atm. Pengisian minyak mengambil masa beberapa minit.

Konsep pengangkutan bandar yang mesra alam telah digunakan di Eropah sejak pertengahan 2000-an: bas penumpang sebegitu telah lama ditemui di Amsterdam, Hamburg, Barcelona dan London. Di kota metropolis, ketiadaan pelepasan berbahaya dan pengurangan hingar adalah amat penting. Coradia iLint, kereta api penumpang kereta api berkuasa hidrogen pertama, dilancarkan di Jerman pada 2018. Menjelang 2021, 14 lagi kereta api seumpama itu dirancang untuk dilancarkan.

Sepanjang 40 tahun akan datang, peralihan kepada hidrogen sebagai sumber tenaga utama untuk kereta boleh merevolusikan tenaga dan ekonomi dunia. Walaupun kini jelas bahawa minyak dan gas akan kekal sebagai pasaran bahan api utama untuk sekurang-kurangnya 10 tahun lagi.Namun begitu, beberapa negara sudah pun melabur dalam penciptaan kenderaan dengan sel bahan api hidrogen, walaupun pada hakikatnya banyak halangan teknikal dan ekonomi perlu diatasi.

Mewujudkan infrastruktur hidrogen, stesen minyak yang selamat adalah tugas utama, kerana hidrogen ialah gas yang boleh meletup. Sama ada cara, dengan hidrogen, bahan api kenderaan dan kos penyelenggaraan boleh dikurangkan dengan ketara dan kebolehpercayaan boleh ditingkatkan.

Menurut ramalan Bloomberg, menjelang 2040 kereta akan menggunakan 1,900 terawatt jam dan bukannya 13 juta tong sehari, yang akan menjadi 8% daripada permintaan elektrik, manakala 70% daripada minyak yang dihasilkan di dunia hari ini digunakan untuk pengeluaran bahan api pengangkutan. . Sudah tentu, pada ketika ini, prospek untuk pasaran kenderaan elektrik bateri jauh lebih ketara dan mengagumkan daripada dalam kes sel bahan api hidrogen.

Pada 2017, pasaran kenderaan elektrik ialah $17.4 bilion, manakala pasaran kereta hidrogen bernilai hanya $2 bilion. Walaupun terdapat perbezaan ini, pelabur terus berminat dengan tenaga hidrogen dan membiayai pembangunan baharu.

Oleh itu, pada 2017, Majlis Hidrogen telah diwujudkan, yang merangkumi 39 pengeluar kereta utama seperti Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Tujuannya adalah untuk menyelidik dan membangunkan teknologi hidrogen baharu dan pengedaran meluas seterusnya.