Hur vätebilar fungerar

Besökare tittar på Honda FCX Clarity på Auto China 2008 auto show i Peking den 20 april 2008. AP Photo / Oded Balilty

Framtidens bil är här idag. Naturligtvis kan du inte köpa en ännu; men om du bor i Kalifornien kan du hyra en. Den använder inte bensin och den förorenar inte luften. I själva verket producerar det ånga istället för avgas. Så vad är mysteriets bränsle? Väte - det enklaste och vanligaste elementet i universum. Och vissa tror att om 20 till 30 år kommer vi alla att köra dessa vätendrivna, bränsleeffektiva fordon.

Även om vätendrivna bilar har en science fiction-kvalitet för dem, är idén inte riktigt ny. Egentligen har tekniken för att använda väte för att generera kraft funnits sedan den första delen av 1800-talet - det är längre än bilar har funnits. Det nya är att du faktiskt kan se en vätendriven bil på vägen, med ånga som kommer ut ur avgasröret istället för illaluktande gaser. Flera vätebilar finns nu, men de flesta av dem är konceptbilar. Dessa miljövänliga körmaskiner inkluderar Chevrolet Equinox, BMW 745h och den som för närvarande finns att hyra i Kalifornien, Honda FCX.

Det som möjliggör en vätebil är en enhet som kallas a bränslecell, som omvandlar väte till elektricitet, som endast avger värme och vatten som biprodukter. Eftersom det är icke-förorenande verkar väte som det ideala bränslet för 2000-talet. Många människor i regeringen och bilindustrin är glada över dess potential. Vätebilar har potential att vara bränsleeffektiva och erbjuder hopp om miljövänlig, grön körning. Men det finns fortfarande många problem som måste övervinnas och frågor som måste besvaras innan väte blir det bränsle som väljs för tillräckligt många människor för att göra stor skillnad i vår nuvarande användning av fossila bränslen. Till exempel, var får vi väte? Hur dyra kommer dessa bränsleeffektiva bilar att köpa? Kommer du att kunna hitta en vätgasbränslestation för att fylla på din tank? Och kanske viktigast av allt, som bränsle, är väte verkligen så icke-förorenande som det verkar?

Vi ska titta på de frågorna på sidorna som följer, men vi kan ge dig ett snabbt svar just nu: Om du råkar bo i mycket specifika delar av landet och har fickor fodrade med kontanter, förvänta dig inte en vätebil i din uppfart inom det kommande decenniet.

Innehåll

1. Vätebränsleceller
2. Väte bilproduktion
3. Väte bil bakslag

En buss med vätgasbränslecell lämnar Connecticut Convention Center i Hartford, Conn., För en demonstration. AP Photo / Bob Child

År 1839 tog den walisiska forskaren Sir William Robert Grove den välkända elektrokemiska processen för elektrolys, som använder elektricitet för att producera väte från vatten, och vänd det och genererade el och vatten från väte. Han kallade sin uppfinning ett gasvoltaiskt batteri, men idag känner vi det som en vätebränslecell. Mycket senare, i mitten av 1900-talet, utvecklades tekniken vidare av uppfinnaren Francis Bacon. Tekniken som dessa två uppfinnar utvecklade är avgörande för driften av en vätebil.

Det första praktiska bränslecellsystemet utvecklades i början av 1960-talet av General Electric för användning i rymdkapslar i omloppsbana. Och sedan på 1990-talet började bränsleceller visas i stadsbussar. så vi vet att det är möjligt att driva fordon med bränsleceller. Du kan tänka på en bränslecell som ett slags batteri, förutom att medan ett batteri håller sitt bränsle i sig själv, måste en bränslecell fyllas på. Bränslet för en vätgasbränslecell är, som namnet antyder, väte. Som du kanske kommer ihåg från gymnasiet kemi klass, är väte det enklaste av alla element. En väteatom består av en enda elektron och en enda proton. Bränslecellen genererar elektricitet genom att ta bort elektronerna från protonerna och använda elektronerna för att skapa en ren ström av elektricitet. De joniserade väteatomerna kombineras sedan med syre för att bilda vatten. Den andra biprodukten av denna process är värme, så detta vatten har vanligtvis form av ånga. Hur är det för miljövänlig körning?

Den typ av bränslecell som används i bilar är polymerväxelmembranet (eller PEM) bränslecell. PEM-bränsleceller har fördelen att de är lätta och små. De består av två elektroder (en negativt laddad anod och en positivt laddad katod), en katalysator och ett membran. Väte tvingas in i bränslecellen vid anoden i form av H2-molekyler, som var och en innehåller två väteatomer. En katalysator vid anoden bryter molekylerna i vätejoner (protonerna) och ett flöde av elektricitet (elektronerna). Jonerna passerar genom membranet, men elen måste gå runt. Medan det gör det kan det utnyttjas för att göra arbete. Precis som väte tvingas in i bränslecellen vid anoden, tvingas syre in vid katoden. Protonerna och elektronerna återförenas vid katoden och förenas med syre och bildar vatten, varav de flesta blir bränslecells avgaser. Bränsleceller är utformade för att vara platta och tunna, främst så att de kan staplas. Ju fler bränsleceller i bunken, desto större är spänningen för elen som stacken producerar.

Många tror att bränsleeffektiva fordon som vätendrivna bilar kommer att vara avgörande för att möta energikraven från 2000-talet. År 2003 tillkännagav president George W. Bush ett initiativ på 1,2 miljarder dollar i frihetsbränslen till stöd för utvecklingen av bränslecellsteknologi. Bränsleceller har två stora fördelar jämfört med fossila bränslen. Först tappar de inte världens begränsade leverans av olja, vilket hjälper oss att bevara de befintliga leveranserna och de kan också minska vårt beroende av utländsk olja. För det andra är den enda biprodukten från en bränslecells verksamhet värme och vatten, vilket innebär att bränsleceller inte producerar förorening. Detta är mycket viktigt i en tid då kolutsläpp från bilar tros främja den globala uppvärmningen.

På nästa sida ska vi titta på hur vätebilar och bränsleceller produceras. Och kanske viktigare är att vi tittar på var vätet i sig kommer från.

Jorden har gott om väte tillgängligt i form av vatten; Det kan dock vara ganska svårt att separera den, samla den och lagra den. AP Photo / NASA

Så hur bygger tillverkare faktiskt bränsleeffektiva fordon, som bränslecellbilar? Produktionen av vätebilar skiljer sig inte mycket från att producera typiska bilar. Naturligtvis, till exempel, tåg, och de elektriska systemen kommer att vara något unikt eftersom en bränslecell skapar elektricitet. Därför har en vätgasdriven bil och elbil mycket gemensamt i det avseendet. Kanske är en viktigare fråga hur vätet självt kommer att produceras. Med tanke på att väte är det vanligaste elementet i universum som utgör ungefär 90 procent av de atomer som finns, skulle du tro att detta inte skulle vara ett problem. Tänk igen. Väte är också det lättaste elementet i universum och allt obehållet väte på jordens yta kommer omedelbart att flyta ut i yttre rymden. Vad väte som finns kvar på denna planet är bundet med andra element i molekylär form, oftast i vatten (H2O) molekyler. Och det råkar finnas mycket H2O på jordytan.

Men hur separerar vi vätemolekylerna i vattnet från syremolekylerna? Och om vi inte använder vatten som vätekälla, var kan vi annars få väte?

Det enklaste sättet att få väte från vatten är det som Sir William Grove kände till för mer än 150 år sedan: elektrolys. Om du leder en elektrisk ström genom vatten bryts H2O-molekylerna ner. I likhet med drift av bränsleceller använder denna process en anod och en katod, vanligtvis tillverkad av inerta metaller. När en elektrisk ström appliceras på vattnet bildas väte vid katoden och syre bildas vid anoden. Även om denna process är långsam kan den göras i stor skala.

En alternativ källa för väte är naturgas, som består av naturligt förekommande kolväten. En process som kallas ångreformation kan användas för att separera väte i gasen från kolet. För närvarande är detta den vanligaste metoden för industriell produktion av väte och skulle troligtvis vara den första metoden som används för att producera väte för bränslecellfordon. Tyvärr använder denna process fossila bränslen - naturgasen - så om poängen med att bygga bilar som kör på väte är att undvika utarmning av fossila bränslereserver, skulle naturgas vara den värsta möjliga källan till detta bränsle.

Vissa experter har föreslagit att det kan vara möjligt att bygga miniatyrväteväxter som passar i den genomsnittliga personens garage, så det kommer inte ens att behöva köra till den lokala bränslestationen för att fylla bilens vätgas. Den mest extrema formen av denna idé har varit förslaget att elektrolys skulle kunna utföras inne i själva bilen, vilket skulle möjliggöra den häpnadsväckande idén om en bil som går på vatten! Kraften för elektrolysen måste dock komma från ett slags batteri, så en vattendriven bil måste periodiskt laddas.

Så är gröna körmaskiner som fordonscellsutrustade fordon verkligen framtidens bilar? Många hoppas det, men det finns flera potentiella vägspärrar på väg till en värld där människor tar sig runt i bilar som kör på väte. Vi tittar på dem på nästa sida.

Vätendrivna fordon från Daimler, Volkswagen och BMW kryssar på en motorväg i New York. Bilarna var en del av en 31-city, Hydrogen Road Tour som också innehåller vätendrivna fordon från GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan och Toyota. AP Photo / Richard Drew

Många tror att vätgasbränsleceller är den viktigaste alternativa bränsleteknologin som håller på att utvecklas. Det är emellertid inte utan problem, och det kan gå decennier innan bränslecellstekniken används i stort. Vi kan grovt gruppera problemen med väte i tre kategorier: kostnaderna för att utveckla tekniken, svårigheter och faror med vätgaslagring och möjligheten att denna "icke-förorenande teknik" trots allt inte är så förorenande. Här är några av de minskade vätgasbilarna som vi kan förvänta oss att ta itu med inom en snar framtid.

Kostnaderna för att utveckla vättekniken är höga. Vi behöver inte bara konstruera och utveckla bränslecellerna och bilarna, utan vi måste utveckla en infrastruktur för att stödja dessa bränsleeffektiva fordon. Föreställ dig om du för närvarande ägde en vätebil. Var skulle du gå för att fylla din tank? Förutsatt att du inte har en vätgasproduktionsanläggning i ditt garage, behöver du en vätgaspåfyllningsstation, och det enda stället där något betydande antal sådana stationer finns för tillfället är i delstaten Kalifornien, där guvernör Arnold Schwarzenegger har engagerat i att stödja en vätgasframtid. Några av de mer pessimistiska uppskattningarna har lagt kostnaden för att bygga en infrastruktur som gör att ett betydande antal vätebilar kan vara så höga som 500 miljarder dollar - och tid att producera infrastrukturen så länge som fyra decennier.!

Kostnaderna för bilarna är också höga. Med platina som den mest använda katalysatorn i bränslecellerna är priset för ett enda bränslecellsfordon för närvarande mer än 100 000 dollar och till och med betydligt mer, vilket är anledningen till att de enda vätebilarna som finns tillgängliga för dig att köra just nu är att hyra , inte till salu. Få människor är i stånd att ha råd med en så dyr bil. Andra katalysatorer utvecklas som förmodligen kommer att bli billigare än platina, men ingen vet hur snart de kommer att finnas tillgängliga för storskalig användning.

Lagringsproblemet är också ett taggigt. Väte är en gas och det gillar att sprida sig. Att sätta den i en bil innebär att den pressas ner till en rimlig storlek, och det är inte lätt. Vidare blir väte varmt medan det sitter i tanken på en parkerad bil, vilket får gasen att expandera. Detta innebär att tankarna måste lufta väte periodiskt från bilen. Låt en vätebil sitta i mer än några dagar och allt bränsle kommer att försvinna. Väte är också mycket brandfarligt - den spektakulära explosionen av det dirigerbara Hindenburg på 1930-talet tros av vissa ha varit resultatet av en vätebrande - så om väte kommer ut ur tanken kan det vara farligt . Lyckligtvis är vätgasbränder inte lika heta som bensinbränder och är mindre benägna att starta sekundära bränder. Och eftersom väte stiger, flyter det mest undvikna väte bort innan det faktiskt kan göra någon skada.

Och är väte verkligen icke-förorenande? En bränslecell producerar endast värme och vatten som avgaser, men de processer som används för att skapa väte är inte nödvändigtvis lika rena. Elektrolys använder elektricitet och att el kommer ofta från växter som bränner kol, en mycket förorenande källa. Och när väte utvinns från naturgas producerar det koldioxidutsläpp, vilket är exakt vad vi försöker undvika genom att använda väte i första hand.

Många tror att vi kommer att övervinna dessa hinder så småningom, men det kommer att bli svårt. Andra tror att vårt bästa alternativ för bränsleeffektivitet och miljövänlig körning inom en snar framtid inte ligger i väte utan i hybridelektriska fordon, som Toyota Prius, Ford Fusion hybrid och andra liknande hybridbilar. Ändå är det möjligt att du inom ett par decennier bara kan äga en vätebränslecellbil.

För mer information om alternativa bränslen, hybridbilar och andra relaterade ämnen, följ länkarna på nästa sida.

Relaterade artiklar

• Topp 10 säljande hybridbilar
• Hur fungerar Honda Civic Hybrid
• Så fungerar Ford Fusion Hybrid
• Så fungerar Toyota Prius
• Är hybridbilar långsammare än vanliga bilar?
• Hur fungerar alternativa tankstationer

källor

• Barras, Colin. "Platinfri bränslecell lovar billig, grön kraft." Ny forskare. 15 december 2008. (21 april 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
• Berger, Michael. "Nanoteknik kan rensa vätebilens smutsiga lilla hemlighet." Nanowerk. 19 juli 2007. (21 april 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
• Science. "Vätebilar? Prototyp vätgaslagring behåller utökad termisk uthållighet." 10 juni 2008. (21 april 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
• Science. "Vätedrivna bilar är inte det bästa sättet att minska föroreningar, växthusgaser och oljeberoende." 18 juli 2003. (21 april 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
• Squatriglia, Chuck. "Vätebilar är här. Nu behöver vi bara en bränsleinfrastruktur." Trådbunden. 12 mars 2008. (21 april 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
• Squatriglia, Chuck. "Vi kör Chevrolet Equinox-vätgascellsfordon." Trådbunden. 11 mars 2008. (21 april 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
• Wrigglesworth, Phil. "Den eviga framtidens bil." Ekonomen. 4 september 2008. (21 april 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229