Als je het artikel over brandstofcellen leest, weet je dat ze elektriciteit produceren uit waterstof en zuurstof en alleen stoom uitstoten. Het grootste probleem bij brandstofcellen op waterstof is de opslag en distributie van waterstof. Zie Hoe de waterstofeconomie werkt voor details.
Waterstofgas is geen erg energierijke brandstof, wat betekent dat het weinig energie per volume-eenheid bevat in vergelijking met een vloeibare brandstof zoals benzine of methanol. Het is dus moeilijk om voldoende waterstofgas in een door brandstofcel aangedreven auto te passen om hem een redelijk rijbereik te geven. Vloeibare waterstof heeft een goede energiedichtheid, maar moet bij extreem lage temperaturen en hoge drukken worden opgeslagen; dit maakt het opslaan en transporteren nogal moeilijk.
Gewone brandstoffen zoals aardgas, propaan en benzine, en minder gebruikelijke zoals methanol en ethanol, hebben allemaal waterstof in hun moleculaire structuur. Als er een technologie zou zijn die de waterstof uit deze brandstoffen zou kunnen verwijderen en deze zou kunnen gebruiken om de brandstofcel van stroom te voorzien, zou het probleem van waterstofopslag en -distributie bijna volledig worden geëlimineerd.
Die technologie is in ontwikkeling. Het heet een brandstofprocessor , of een hervormer . In deze editie van HowStuffWorks , zullen we leren hoe de stoomreformer werkt.
Inhoud
De taak van de brandstofprocessor is om relatief zuivere waterstof aan een brandstofcel te leveren, met behulp van een brandstof die gemakkelijk verkrijgbaar of gemakkelijk te vervoeren is. Brandstofverwerkers moeten dit op een efficiënte manier kunnen doen met een minimum aan vervuiling, anders doen ze de voordelen van het gebruik van een brandstofcel teniet.
Voor auto's is het belangrijkste probleem energieopslag . Om grote tanks onder zware druk te vermijden, verdient een vloeibare brandstof de voorkeur boven een gas. Bedrijven werken aan brandstofprocessors voor vloeibare brandstoffen zoals benzine en methanol. Methanol is de meest kansrijke brandstof op korte termijn; het kan worden opgeslagen en gedistribueerd op vrijwel dezelfde manier als benzine nu is.
Voor huizen en stationaire energieopwekking hebben brandstoffen zoals aardgas of propaan de voorkeur. Veel elektriciteitscentrales en huizen zijn al per pijpleiding aangesloten op de aardgasvoorziening. En sommige huizen die niet zijn aangesloten op gasleidingen hebben propaantanks. Het is dus logisch om deze brandstoffen om te zetten in waterstof voor gebruik in stationaire brandstofcellen.
Zowel methanol als aardgas kunnen worden omgezet in waterstof in een stoomreformer .
Er zijn een aantal soorten stoomreformers, een reforming methanol en de andere reformerende aardgas .
De molecuulformule voor methanol is CH 3 OH . Het doel van de reformer is om zoveel mogelijk waterstof (H ) mogelijk uit dit molecuul, terwijl de uitstoot van verontreinigende stoffen zoals koolmonoxide (CO) tot een minimum wordt beperkt ). Het proces begint met de verdamping van vloeibare methanol en water. Hiervoor wordt warmte gebruikt die tijdens het reformingsproces wordt geproduceerd. Dit mengsel van methanol en waterdamp wordt door een verwarmde kamer geleid die een katalysator bevat.
Terwijl de methanolmoleculen de katalysator raken, splitsen ze zich in koolmonoxide (CO ) en waterstofgas (H 2 ):
De waterdamp splitst zich in waterstofgas en zuurstof; deze zuurstof combineert met de CO om CO2 . te vormen . Op deze manier komt er heel weinig CO vrij, omdat het meeste wordt omgezet in CO2 .
Aardgas, dat voornamelijk uit methaan bestaat (CH 4 ), wordt verwerkt met een vergelijkbare reactie. Het methaan in het aardgas reageert met waterdamp om koolmonoxide en waterstofgassen te vormen.
Net zoals bij het reformen van methanol, splitst de waterdamp zich in waterstofgas en zuurstof, waarbij de zuurstof zich met de CO verbindt om CO2 te vormen .
Geen van deze reacties is perfect; wat methanol of aardgas en koolmonoxide komen er doorheen zonder te reageren. Deze worden verbrand in aanwezigheid van een katalysator, met een beetje lucht om zuurstof te leveren. Dit zet het grootste deel van de resterende CO om in CO2 , en de resterende methanol tot CO2 en water. Er kunnen verschillende andere apparaten worden gebruikt om andere verontreinigende stoffen, zoals zwavel, die zich in de uitlaatstroom kunnen bevinden, op te ruimen.
Het is belangrijk om het koolmonoxide te elimineren uit de uitlaatstroom om twee redenen:Ten eerste, als de CO door de brandstofcel gaat, worden de prestaties en de levensduur van de brandstofcel verminderd; ten tweede is het een gereguleerde vervuilende stof, dus auto's mogen er maar kleine hoeveelheden van produceren.
Om stroom te creëren, moeten verschillende systemen samenwerken om de vereiste elektrische output te leveren. Een typisch systeem zou bestaan uit een elektrische belasting (zoals een huis of een elektromotor), een brandstofcel en een brandstofprocessor .
Laten we het geval van een auto met brandstofcel nemen. Als je op het gaspedaal (waterstof) trapt, gebeuren er verschillende dingen tegelijk:
Een soortgelijke opeenvolging van gebeurtenissen gebeurt in uw huis wanneer u plotseling de elektriciteitsvraag verhoogt. Als uw airconditioning bijvoorbeeld aangaat, moet het vermogen van de brandstofcel snel toenemen, anders dimt de verlichting totdat de brandstofcel de vraag kan inhalen.
Brandstofprocessors hebben ook nadelen, waaronder vervuiling en algehele brandstofefficiëntie .
Hoewel brandstofverwerkers waterstofgas aan een brandstofcel kunnen leveren terwijl ze veel minder vervuiling veroorzaken dan een verbrandingsmotor, produceren ze toch een aanzienlijke hoeveelheid koolstofdioxide (CO2 ). Hoewel dit gas geen gereguleerde verontreinigende stof is, wordt ervan verdacht bij te dragen aan de opwarming van de aarde.
Als pure waterstof in een brandstofcel wordt gebruikt, is het enige bijproduct water (in de vorm van stoom). Geen CO2 of enig ander gas wordt uitgestoten. Maar omdat brandstofcel-aangedreven auto's die brandstofprocessors gebruiken kleine hoeveelheden gereguleerde verontreinigende stoffen uitstoten, zoals koolmonoxide, zullen ze niet kwalificeren als emissievrije voertuigen (ZEV's) volgens de emissiewetten van Californië. Op dit moment zijn de belangrijkste technologieën die in aanmerking komen als ZEV's de batterij-aangedreven elektrische auto en de waterstof-aangedreven brandstofcel-auto.
In plaats van te proberen brandstofprocessors te verbeteren tot het punt waarop ze geen gereguleerde verontreinigende stoffen meer uitstoten, werken sommige bedrijven aan nieuwe manieren om waterstof op te slaan of te produceren in het voertuig . Ovonic ontwikkelt een opslagapparaat voor metaalhydride dat waterstof absorbeert zoals een spons water absorbeert. Dit elimineert de noodzaak voor opslagtanks onder hoge druk en kan de hoeveelheid waterstof die in een voertuig kan worden opgeslagen, vergroten.
Powerball Technologies wil kleine plastic balletjes gebruiken vol natriumhydride, die waterstof produceren wanneer ze worden geopend en in het water vallen. Het bijproduct van deze reactie, vloeibaar natriumhydroxide , is een veelgebruikte industriële chemische stof.
Een ander nadeel van de brandstofprocessor is dat het de algehele efficiëntie van de brandstofcelauto vermindert. De brandstofprocessor gebruikt warmte en druk om de reacties te ondersteunen die de waterstof splitsen. Afhankelijk van het soort brandstof dat wordt gebruikt en de efficiëntie van de brandstofcel en de brandstofprocessor, kan de efficiëntieverbetering ten opzichte van conventionele benzineauto's vrij klein zijn. Bekijk deze vergelijking van de efficiëntie van een auto op brandstofcel, een auto op benzine en een elektrische auto.
