So funktionieren Kraftstoffverarbeiter

AFV-Bildergalerie Eine 250 kW Brennstoffzelle mit eingebautem Erdgasreformer. Siehe Bilder von Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Ballard Power Systems

-Wenn Sie den Artikel über Brennstoffzellen lesen, wissen Sie, dass sie aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugen und nur Dampf abgeben. Das Hauptproblem bei wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen besteht in der Speicherung und Verteilung von Wasserstoff. Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise der Wasserstoffwirtschaft. -

-Wasserstoffgas ist kein sehr energiedichter Kraftstoff, was bedeutet, dass es im Vergleich zu flüssigem Kraftstoff wie Benzin oder Methanol wenig Energie pro Volumeneinheit enthält. Es ist daher schwierig, genügend Wasserstoffgas in ein Auto mit Brennstoffzellenantrieb einzubauen, um eine angemessene Reichweite zu erzielen. Flüssiger Wasserstoff hat eine gute Energiedichte, muss jedoch bei extrem niedrigen Temperaturen und hohen Drücken gelagert werden. Dies erschwert die Lagerung und den Transport.

-Häufige Kraftstoffe wie Erdgas, Propan und Benzin sowie weniger verbreitete Kraftstoffe wie Methanol und Ethanol haben Wasserstoff in ihrer Molekülstruktur. Wenn es eine Technologie gäbe, die den Wasserstoff aus diesen Brennstoffen entfernen und ihn zum Antrieb der Brennstoffzelle verwenden könnte, würde das Problem der Wasserstoffspeicherung und -verteilung fast vollständig beseitigt.

Diese Technologie befindet sich in der Entwicklung. Es heißt a Kraftstoffprozessor, oder ein Reformer. In dieser Ausgabe von erfahren wir, wie die Dampfreformer funktioniert.

Inhalt

1. Der Zweck von Kraftstoffverarbeitern
2. Der Dampfreformer
3. Wie Brennstoffprozessor und Brennstoffzelle zusammenarbeiten
4. Der Nachteil von Kraftstoffprozessoren

Die Aufgabe des Brennstoffverarbeiters besteht darin, einer Brennstoffzelle relativ reinen Wasserstoff zuzuführen, wobei ein Brennstoff verwendet wird, der leicht verfügbar oder leicht transportierbar ist. Brennstoffverarbeiter müssen in der Lage sein, dies auf effiziente Weise mit einem Minimum an Umweltverschmutzung zu tun - andernfalls negieren sie in erster Linie die Vorteile der Verwendung einer Brennstoffzelle.

Bei Autos ist das Hauptproblem Energiespeicher. Um große Tanks mit hohem Druck zu vermeiden, ist ein flüssiger Kraftstoff einem Gas vorzuziehen. Unternehmen arbeiten an Kraftstoffprozessoren für flüssige Brennstoffe wie Benzin und Methanol. Methanol ist kurzfristig der vielversprechendste Kraftstoff; Es kann auf die gleiche Weise gelagert und verteilt werden wie Benzin.

Für Häuser und stationäre Stromerzeugung werden Brennstoffe wie Erdgas oder Propan bevorzugt. Viele Kraftwerke und Häuser sind bereits per Pipeline an die Erdgasversorgung angeschlossen. Und einige Häuser, die nicht an Gasleitungen angeschlossen sind, haben Propantanks. Daher ist es sinnvoll, diese Brennstoffe zur Verwendung in stationären Brennstoffzellen in Wasserstoff umzuwandeln.

Sowohl Methanol als auch Erdgas können in a in Wasserstoff umgewandelt werden Dampfreformer.

Es gibt verschiedene Arten von Dampfreformern, eine Methanol reformieren und die andere Reform Erdgas.

Methanol reformieren

Die Summenformel für Methanol lautet CH₃OH. Das Ziel des Reformers ist es, so viel Wasserstoff wie möglich zu entfernen (H.) wie möglich aus diesem Molekül, während die Emission von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid minimiert wird (CO). Der Prozess beginnt mit der Verdampfung von flüssigem Methanol und Wasser. Hierzu wird im Reformprozess erzeugte Wärme genutzt. Dieses Gemisch aus Methanol und Wasserdampf wird durch eine beheizte Kammer geleitet, die einen Katalysator enthält.

Wenn die Methanolmoleküle auf den Katalysator treffen, spalten sie sich in Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoffgas (H.₂):

Der Wasserdampf spaltet sich in Wasserstoffgas und Sauerstoff auf; Dieser Sauerstoff verbindet sich mit dem CO zu CO₂. Auf diese Weise wird sehr wenig CO freigesetzt, da das meiste davon in CO umgewandelt wird₂.

Erdgas reformieren

Erdgas, das hauptsächlich aus Methan besteht (CH₄) wird mit einer ähnlichen Reaktion verarbeitet. Das Methan im Erdgas reagiert mit Wasserdampf unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoffgasen.

Genau wie bei der Reformierung von Methanol spaltet sich der Wasserdampf in Wasserstoffgas und Sauerstoff auf, wobei sich der Sauerstoff mit dem CO zu CO verbindet₂.

Keine dieser Reaktionen ist perfekt; etwas Methanol oder Erdgas und Kohlenmonoxid schaffen es ohne zu reagieren durch. Diese werden in Gegenwart eines Katalysators mit etwas Luft verbrannt, um Sauerstoff zuzuführen. Dies wandelt den größten Teil des verbleibenden CO in CO um₂, und das verbleibende Methanol zu CO₂ und Wasser. Verschiedene andere Vorrichtungen können verwendet werden, um andere Schadstoffe wie Schwefel, die sich im Abgasstrom befinden können, zu entfernen.

Es ist wichtig Entfernen Sie das Kohlenmonoxid aus dem Abgasstrom aus zwei Gründen: Erstens, wenn das CO die Brennstoffzelle passiert, werden die Leistung und die Lebensdauer der Brennstoffzelle verringert; Zweitens handelt es sich um einen regulierten Schadstoff, sodass Autos nur geringe Mengen davon produzieren dürfen.

- Um Strom zu erzeugen, müssen mehrere Systeme zusammenarbeiten, um die erforderliche elektrische Leistung bereitzustellen. Ein typisches System würde aus einem bestehen elektrische Ladung (wie ein Haus oder ein Elektromotor), a Brennstoffzelle und ein Kraftstoffprozessor.

Nehmen wir den Fall eines Autos mit Brennstoffzellenantrieb. Wenn Sie auf das Gaspedal (Wasserstoffpedal) treten, passieren ungefähr zur gleichen Zeit mehrere Dinge:

• Die Elektromotorsteuerung beginnt, dem Elektromotor mehr Strom zuzuführen, und der Elektromotor erzeugt mehr Drehmoment.
• In der Brennstoffzelle wird mehr Wasserstoff umgesetzt, wodurch mehr Elektronen erzeugt werden, die ihren Weg durch den Elektromotor und die Steuerung finden und mit dem erhöhten Leistungsbedarf Schritt halten.
• Der Kraftstoffverarbeiter beginnt, mehr Methanol durch sein System zu pumpen, wodurch mehr Wasserstoff erzeugt wird. Eine andere Pumpe erhöht den Wasserstoffstrom zur Brennstoffzelle.

Eine ähnliche Abfolge von Ereignissen tritt in Ihrem Haus auf, wenn Sie plötzlich den Strombedarf erhöhen. Wenn sich beispielsweise Ihre Klimaanlage einschaltet, muss die Leistung der Brennstoffzelle schnell ansteigen, sonst werden die Lichter gedimmt, bis die Brennstoffzelle den Bedarf decken kann.

Kraftstoffverarbeiter haben auch Nachteile, einschließlich Verschmutzung und Gesamtkraftstoff Effizienz.

Verschmutzung

Obwohl Brennstoffverarbeiter einer Brennstoffzelle Wasserstoffgas zuführen können, während sie viel weniger Umweltverschmutzung verursachen als ein Verbrennungsmotor, produzieren sie immer noch eine erhebliche Menge Kohlendioxid (CO)₂). Obwohl dieses Gas kein regulierter Schadstoff ist, wird vermutet, dass es zur globalen Erwärmung beiträgt.

Wenn in einer Brennstoffzelle reiner Wasserstoff verwendet wird, ist das einzige Nebenprodukt Wasser (in Form von Dampf). Kein CO₂ oder irgendein anderes Gas wird abgegeben. Da Autos mit Brennstoffzellenantrieb, die Brennstoffprozessoren verwenden, geringe Mengen regulierter Schadstoffe wie Kohlenmonoxid ausstoßen, gelten sie nicht als emissionsfreie Fahrzeuge (ZEVs) nach den kalifornischen Emissionsgesetzen. Derzeit sind die Haupttechnologien, die als ZEV gelten, das batteriebetriebene Elektroauto und das wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenauto.

Anstatt zu versuchen, die Kraftstoffverarbeiter so weit zu verbessern, dass sie keine regulierten Schadstoffe mehr ausstoßen, arbeiten einige Unternehmen an neuen Wegen Wasserstoff im Fahrzeug speichern oder produzieren. Ovonic entwickelt eine Metallhydrid-Speichervorrichtung, die Wasserstoff absorbiert, ähnlich wie ein Schwamm Wasser absorbiert. Dies macht Hochdruckspeichertanks überflüssig und kann die Menge an Wasserstoff erhöhen, die in einem Fahrzeug gespeichert werden kann.

Powerball Technologies möchte kleine Plastikkugeln mit Natriumhydrid verwenden, die beim Öffnen Wasserstoff erzeugen und in Wasser fallen lassen. Das Nebenprodukt dieser Reaktion, flüssiges Natriumhydroxid, ist eine häufig verwendete Industriechemikalie.

Effizienz

Ein weiterer Nachteil des Brennstoffprozessors besteht darin, dass er den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellenautos verringert. Der Kraftstoffprozessor nutzt Wärme und Druck, um die Reaktionen zu unterstützen, die den Wasserstoff aufspalten. Abhängig von der Art des verwendeten Kraftstoffs und dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und des Brennstoffprozessors kann die Effizienzverbesserung gegenüber herkömmlichen benzinbetriebenen Autos relativ gering sein. Sehen Sie diesen Vergleich der Wirkungsgrade eines Autos mit Brennstoffzellenantrieb, eines Autos mit Benzinantrieb und eines Elektroautos.

Weitere Informationen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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