Как работают топливные процессоры

Если вы прочли статью о топливных элементах, то вы знаете, что они производят электроэнергию из водорода и кислорода, попутно создавая высокую температуру и воду. Основная проблема водородных топливных элементов заключается в хранении и распределении чистого водорода. Подробнее с этими проблемами можно ознакомиться в статье «Как работает водородная экономика».

Газообразный водород — топливо с не очень высокой энергетической плотностью. Это значит, что он содержит мало энергии в расчете на единицу объема, в сравнении с жидким топливом таким, как бензин или метанол. Трудно запасти достаточно водорода в топливных батареях автомобиля, чтобы дать ему разумную дистанцию пробега. Жидкий водород имеет хорошую энергетическую плотность, но он должен храниться при экстремально низких температурах и высоких давлениях, что делает его хранение и транспортировку довольно проблематичными.

Ископаемые виды топлива, такие, как природный газ метан, пропан или бензин, и менее распространенные восстанавливаемые, такие, как метанол или этанол, имеют водород в своих молекулярных структурах. Если бы существовали технологии, которые могли бы извлечь водород из этих видов топлива и использовать его для питания топливных элементов, проблема хранения и распределения водорода могла бы быть решена почти полностью.

 

Паровой риформинг

Паровой риформинг разделяется на: риформинг метанола или риформинг природного газа.

Риформинг метанола

Молекулярная формула для метанола CH₃О-О. Цель риформера в том, чтобы удалить максимально много водорода (H) как можно дальше от этой молекулы, сводя к минимуму выбросы вредных веществ, таких как угарный газ (CO). Процесс начинается с испарения жидкого метанола и воды. Тепло, образующееся в процессе риформинга, используется для выполнения этой задачи. Эта смесь метанола и водяного пара передается через нагретую камеру, которая содержит катализатор.

Когда молекулы метанола попадают в катализатор, они разделяются на окись углерода (CO) и водород (H₂):

Водяной пар распадается на водород и кислород, кислород соединяется с CO в форме CO₂. В этом процессе очень малый выброс CO, поскольку он преобразуется в CO₂.

Риформинг природного газа

Природный газ, который в основном состоит из метана (CH₄), обрабатывается с использованием подобной реакции. Метан вступает в реакцию с парами воды в виде газов окиси углерода и водорода.

Точно так же, как при риформинге метанола, пары воды распадаются на водород и кислород. Кислород затем соединяется с CO в форме CO₂.

Ни одна из этих реакций не является идеальной. Некоторые молекулы метанола или природного газа, а также окиси углерода не вступают в реакцию. Они дожигаются с помощью каталитического нейтрализатора. В  результате образуется тепло, CO₂ и вода. Другие устройства могут дополнительно использоваться для очистки от любых других загрязняющих веществ, например, серы, которые могут быть в потоке выхлопных газов.

Важно устранить окись углерода в потоке выхлопных газов по двум причинам: во-первых, если CO проходит через топливные элементы, то производительность и срок службы топливных элементов уменьшаются; во-вторых, это регулирует выброс загрязняющих веществ, поэтому автомобильный выхлоп станет значительно чище.

 

Как топливный процессор и топливные элементы работают совместно

Несколько систем должны работать вместе, чтобы обеспечить автомобиль необходимой электрической мощностью. Типичная система будет состоять из электрической нагрузки (например, электродвигатель), топливных элементов и топливного процессора.

Когда вы нажимаете на педаль газа в автомобиле на топливных элементах с топливным процессором, в это время:

1. Контроллер электродвигателя начинает поставку электроэнергии в электродвигатель и тот создает больший крутящий момент.

2. В топливных элементах больше молекул водорода вступает в реакцию, производя, тем самым, большее количество электронов, которые проходят через контроллер и электромотор по мере роста потребности в электроэнергии.

3. Топливный процессор начинает потреблять больше метанола, чтобы его система создала больше водорода. Насос увеличивает поток водорода от топливного процессора к топливным элементам.

Выходную мощность топливных элементов необходимо увеличивать быстро, иначе электричество перестанет поступать в двигатель до тех пор, пока топливные элементы не смогут удовлетворить резко возросшую потребность в электроэнергии.

Аналогичная последовательность событий происходит в вашем доме, когда вы вдруг резко увеличиваете электрическую нагрузку в сети. Например, когда включаете мощный кондиционер.

 

 

Недостатки топливных процессоров

У топливных процессоров есть и недостатки, в том числе загрязнения и топливная эффективность в целом.

Довольно значительные загрязнения

Хотя топливные процессоры могут обеспечивать водород для топливных элементов, производя  при этом гораздо меньше вредных веществ, чем двигатель внутреннего сгорания, они все еще производят значительное количество двуокиси углерода (CO₂). Хотя этот газ не относится к опасным веществам, но он подозревается в содействии глобальному потеплению.

Если чистый водород используется в топливных элементах, единственным побочным продуктом является вода (в виде пара). Нет выброса в атмосферу CO₂ или любых других газов. Но поскольку батареи топливных элементов автомобилей, использующих топливные процессоры, выделяют небольшие объемы регулируемых загрязняющих веществ, таких, как угарный газ, они все равно не будут квалифицироваться как нулевые выбросы транспортных средств. Сейчас основные технологии, которые квалифицируются как «нулевые выбросы» — это электромобили и автомобили на водородных топливных элементах.

Вместо того, чтобы пытаться улучшить топливные процессоров до уровня, когда они перестанут выделять регулируемые загрязняющие вещества, некоторые компании разрабатывают новые способы хранения и генерации водорода на автомобиле. Например, гидриды металлов, которые поглощают водород, как губка впитывает воду. Это исключает необходимость использования высокого давления, резервуаров для водорода, а также может увеличить количество водорода, который может храниться на транспортном средстве.

Powerball технология хочет использовать маленькие пластиковые шарики, полные гидрида натрия, которые производят водород при раскрытии в воде. Побочным продуктом этой реакции является жидкий гидроксид натрия, повсеместно используемый как промышленный химикат.

Не слишком высокая эффективность

Еще один недостаток топливного процессора, который снижает общий КПД топливных элементов автомобиля. Топливный процессор использует температуру и давление для помощи течения реакции выделения водорода. В зависимости от видов используемого топлива и КПД топливных элементов с топливным процессором, эффективность, по сравнению с традиционными автомобилями с бензиновым двигателем, может быть достаточно небольшой.