Можно сделать топливные элементы перехода к семье гараже?
Вашингтон инсайдеров ожидается министр энергетики Спенсер Абрахам, чтобы распустить "Партнерство ради нового поколения автомобилей (PNGV), между правительством и промышленностью предприятия, направленные на коммерциализацию 5 - пассажирский, 80-миль на галлон седан до 2004 года. Но Авраам удалось сюрприз. Вместо того чтобы просто затоплением PNGV, он обнял между правительством и промышленностью партнерство для разработки водородных автомобилей на топливных элементах (см. Вашингтон Update, стр. 21).
Об этом было объявлено на короткий специфику. Он не упоминается ни бюджетов, ни сроков. Не было также подробно, как страна будет принимать инфраструктуры водородного топлива. Наиболее убедительным, он замазывали технологических и неоправданными издержками, которые ограничивают автомобилей топливных элементов для всех, но несколько демонстрационных программ. Даже самые оптимистичные сторонники признают лет и, возможно, десятилетия исследований в будущем.
Ли правительство положить все яйца в корзину неправильно? Был ли он заменить один разочарование программу с другим суждено сбой? Есть топливных элементов суждено пройти путь сланца и Национального аэрокосмического самолета?
Водители
Это легко понять, почему водородных топливных элементов соблазнить администрации Буша. Причины начала с маслом.
Для поддержки своей водительской привычки, Америка импортирует почти 10 миллионов баррелей нефти в день. С 11 сентября, сокращение импорта стала стратегической необходимостью. Не случайно, что министр Авраам назвал его водорода по инициативе проекта на топливных элементах Свобода совместных автомобильных исследований, или свобода CAR. Это пример свободы от импорта нефти и геополитические заграждения оно создает.
Топливные элементы, также "зеленые" технологии. Они излучают только воду, которой чистоты мэром Чикаго Ричардом Дейли раз свидетельствует сбили чашку отбирается из выхлопной прототип автобуса.
По данным Национального исследовательского совета (СРН) обзор PNGV, который финансировал прорыв на топливных элементах исследования, топливные элементы предложить наилучшее сочетание эффективности и выбросов в любой альтернативной технологии, транспорт. Кроме того, они молчали, и в отличие от батарей, возьмите только минут на заправку.
Кроме того, свобода CAR не придется начинать с нуля. Топливные элементы были использованы для транспортных средств космической державой с 1960 года. Сегодня они используются в коммерческих приложениях, которые варьируются от резервной промышленной державой в отдаленных и распределенной электроэнергии.
Going мобильных
Топливные элементы, однако, на самом деле семья технологий. Все вырабатывать электроэнергию путем передачи водорода в присутствии катализатора освободить электронов, которые обеспечивают электроэнергией, и протонов. Последний мигрировать через электролит на второй катализатор, где они соединяются с кислородом, образуя воду.
Автомобильные инженеры сосредоточились на протон мембраны обмена (PEM) топливных элементов. Они работают при относительно низких температурах, обеспечивают высокую мощность / вес отношения, и может оказаться недорогим для изготовления, если исследователям найти способ снизить затраты на мембране.
Проблемы возникают, однако, когда разработчики стараются сделать прыжок со стационарных на мобильные топливные элементы, говорит Крейг знаков, который был председателем Национального совета по исследованиям (СРН) оценка PNGV.
Если кто-то понимает, насколько топливных элементах уже пришел, то знаки. Он построил первую на топливных элементах инициативе в мире автомобиль, корпорации General Motors Electrovan в 1966 году. Верхом на изменение Chevrolet Corvair, в нем 2 резервуаров высокого давления водорода, генерируемых 32 кВт, бесперебойное электропитание, и путешествовал 150 миль между заправки.
"Это транспортного средства помогли нам понять свои приоритеты научных исследований для автомобильного топлива клеток", говорит Марко. "Сегодня проблемы, очень хорошо известны. Топливный элемент работает на водороде, и вопрос, как вы лучше снабжать ее водорода.
Есть два подхода. Первая включает подачу сжатого водорода топлива непосредственно в топливном элементе. Его простота плюс. Более широкое использование, однако, потребует совершенно новой инфраструктуры водородного топлива. "Существующая система сервисной станции росли по мере необходимости," Знаки объясняет. "Первый с топливными элементами на пути придется всю инфраструктуру".
В противном случае за каждый автомобиль для выполнения борту реформатора, который превращает жидкостей, таких как метанол, природный газ или бензин, в водород. Это решает вопросы инфраструктуры, поскольку большинство станций технического обслуживания может поставить эти жидкости с незначительными изменениями.
К сожалению, говорит знаков, "Вы должны положить миниатюрный НПЗ на борту каждого автомобиля. Он должен работать под чрезвычайно трудно набор экологических условий и температур в то время как вибрирует. Это будет
сложная система, и мы будем иметь, чтобы передать ее в руки людей, которые не используются для поддержания ничего, так что надо быть надежной ".
Несмотря на неудачи, эксперты в целом считают, что первая волна топливных элементах - что скорее всего, будут автобусы трансфера до аэропорта - лишь 3:57 лет. Они будут использовать сжатый водород и работать как часть флота.
"Вместо того, чтобы сотни заправочных станций, транспортных средств могут построить один или два центральных станций для выполнения всех их топливо и техническое обслуживание потребностей", говорит Роберт Роуз, исполнительный директор топлива США Сотовый Совета (Washington, DC).
Пять или десять лет назад, мысль о накачке водорода на станции технического обслуживания был шоу-пробкой, говорит Роуз. Водород имеет очень высокое содержание энергии, и люди просто боялись ее горючесть.
С тех пор инженеры потратили значительное время на разработку более безопасных систем для обработки водорода. "Каждый, кто обращается водорода учитывает вопросы безопасности", говорит Роуз.
Системы хранения автомобиля также улучшилось. Дизайнеры в целом одобряют алюминия подкладке, углерод - завернутый цилиндров. Эти хранения водорода на 2500-3000 МПа. Это дает радиус действия около 100-150 километров, по сравнению с 400 миль за типичный двигатель внутреннего сгорания автомобиля. В 2001 году несколько производителей резервуар представил пси-5000 танков, которые дали толчок диапазоне примерно 200-250 километров.
Дополнительные улучшения на этом пути. Накопительный бак создателя Quantum Technologies Worldwide, Inc (Irvine, CA) объединилась с ТЫоко движения корпорации (Бригам Сити, UT), которые обычно курсирует своей торговли волокнонамоточной твердотопливных ракетных двигателей из композиционных углеродных волокон. Использование аэрокосмической техники, компании, созданные 10000 фунтов на квадратный дюйм-цистерны. Они помещены его в полимерных композиционных похож на бронежилет, который защищает танк от камней, препятствий и других последствий вождения.
Водород вопросы
Несмотря на улучшения, водородные топливные системы до сих пор путь, говорит Вернон П. Рон, профессор машиностроения в Univ. Флорида (Гейнсвилл) и заместитель председателя комитета по рассмотрению PNGV СРН. Хотя долгосрочные оптимист, Рон видит затрат и инженерных пробелы в существующих конструкциях.
Возьмите производительности, например. Топливные элементы реагировать и ускорить подобно обычных транспортных средств. Они просто занять больше времени, чтобы согреться. "Люди хотят, чтобы попасть в автомобиль, включите его и ехать в полную силу", объясняет он. "Чтобы получить полную мощность, необходимо получить водорода до температуры окружающей среды".
Конструкции с двойными стенками и изоляцией, вероятно, сохранить топливные элементы достаточно теплой для мгновенного начинается в то время как на работе или в магазин. Машина вылетела в холодном гараже или аэропорта на выходные представляет собой более серьезную проблему. Кратковременный потепление или средней аккумулятора дополнительные средства запуска власть может решить эту проблему, говорит Рон. Он просто добавляет стоимость.
Воздуха и водных ресурсов также являются ключевыми вопросами. мембран топливных элементов должна быть влажной. Переработка конденсата выхлопных газов предусматривает поставку бортовых воды, а вода может замерзнуть в автомашину, стоявшую на улице в зимний период.
Решение, говорит Рон, предусматривает частичное удаление воды из клетки и оптимизация водоводах и мембран для предотвращения ущерба, причиненного при замораживании. Это не трудно инженерной проблемой. Он просто добавляет еще один уровень сложности и затрат.
Контроль за качеством воздуха и представляет собой сложную задачу. Есть некоторые преимущества производительности операционной выше атмосферного давления, говорит Рон. Это требует компрессора и, возможно, расширения, чтобы восстановить энергию. "Эти системы действительно не существует, говорит он," хотя некоторые детали, такие как близнецы-винтовые компрессоры, имеются ". Она требует лишь умный техники и дополнительных затрат и сложности препятствий барьер.
Рон стремится сосредоточить внимание на вопросах, связанных с интеграцией топливных элементов на рабочие машины. Джон Ньюман, Univ. Калифорния, Беркли, химического машиностроения профессора, который подается с Рон на PNGV экспертный совет СРН, менее оптимистично топлива самой клетки.
клеток PEM топлива, говорит Ньюман, использование фторированных мембран аналогично Дюпон Nafion мембран chloralkali электрохимических ячеек. Из-за опасности, связанные с работой с высокой реакционной способностью фтора, мембран топливных элементов были дороги в производстве.
Однако Ньюман, бывший главный редактор журнала "Электрохимический общества, видит несколько вариантов. Нефторированный мембран не смогли продемонстрировать прочность. В самом деле, он указывает, даже фторированных мембран ухудшаться в течение 5 лет. Если срок службы может быть продлен, топливные элементы, возможно, потребуется сравнительно частой замены.
платиновой клеток катализаторов также поднимают флаг. Они дорогие и требуют пополнения. Ньюман указывает на 100 лет исследований катализатор топлива камере, и отмечает, что промышленность все еще предстоит найти дешевый заменитель. "Я признаю, что я немного пессимист, потому что изменение всей отрасли не легкая вещь, чтобы делать", говорит Ньюмен.
С другой стороны, Рон может указывать на значительное сокращение расходов за последнее десятилетие. "Поскольку мы начали пересматривать PNGV, затраты на топливных элементах упали на порядок, говорит он. "Они до сих пор около $ 300/kW, по сравнению с $ 50/kW для бензиновых двигателей. Это три-пять раз дороже, чем оно должно быть, но не являются непреодолимыми".
Реформаторы
Такой оптимизм исчезает при оценке жидкостей технологии и процессоры, необходимых для превращения их в водороде. Комитет СРН, что любые оценки борту процессор снизит общую эффективность преобразования системы на 10-15%. Это делает топливных элементов не более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания.
Тем не менее, желание использовать существующую инфраструктуру жидкости путем преобразования бензобаки для метанола и природного газа оказывает сильное тянуть. Относительно небольшие инвестиции могут толчком водородной экономики путем создания тысяч водородных заправочных станций готовы по всей Америке.
Это долгосрочное видение. В настоящее время единственным реформаторов пара, экономически эффективно трансформировать метанола на водород находится в НПЗ. Реструктуризации их во что-то маленький, дешевый, эффективный и обслуживании в местных гараж сложнейшая задача.
Не будет он легко уговорить приемлемым езды от реформаторов. Как и в большинстве нефтехимических заводов, они не очень хорошем настроении, когда речь идет запуск или закрытие.
"Когда мы начали использовать метанол ячейки топлива автобуса в университете более десяти лет назад, он взял от 30 до 45 минут для топливного процессора, чтобы согреться," Рон вспоминает. "Сегодня она занимает лишь 5 до 10 минут. Он надеется, что это в конечном счете снизится до менее чем 1 минуту. Потребители, с другой стороны, ожидают, что их транспортные средства, которые начинаются, когда они на ключ.
Тем не менее исследователи продолжают продвигаться вперед. В прошлом году Аргоннской национальной лаборатории лицензии новый катализатор для реформатора Sud Chemie. Он действует значительно ниже 600-700 ° С температурный диапазон, предписанный в прошлом. Более важно, однако, это не снизиться, если она контактирует с воздухом.
Будущее
Существует нет недостатка направлений для будущих исследований. В начале 1990-х, например, в Лаборатории реактивного движения и Univ. Южной Калифорнии разработала топливный элемент, который производится власть непосредственно из метанола, не первый, преобразовав его в водород. К сожалению, щелкая водорода с метанолом листьев угарный газ, который отравляет катализатор. Но технология остается интригующей.
Отдельным направлением исследований включает системы хранения водорода, которые блокируются в виде гидрида. Это устраняет необходимость высокого давления хранения.
DaimlerChrysler в последнее время продемонстрировали третьего поколения ван топливных элементов на основе технологии, разработанной тысячелетия Cell, Инк (Итонтаун, NJ). Она хранит водорода в качестве борогидридом натрия. Каталитический гидролиз релизы водородного топлива и оставляет за борат натрия и воды, которые могут быть использованы повторно. Тысячелетия утверждает, что его магазины системы больше водорода, чем сжатие газа по обе массы и объема основе. В прошлом, однако, ученые не смогли извлечь водород эффективно.
Обещания и препятствиями являются частью какого-либо новой технологии. "То, что мы на самом деле смотрите на разработку принципиально новой технологии," говорит топлива знаков ячейки пионером. "Такие вещи, как мембраны и платины нагрузки будет меняться с течением времени. Это несправедливо смотреть на топливных элементах и их сравнение с автомобильной сегодня. Автомобили сегодня были специально для конкретного использования на протяжении более 100 лет".
Знаки ожидает, что первые автобусы топливных элементов флота в три или четыре года. Но автопроизводители должны соответствовать стоимости, ремонтопригодность и долговечность обычных автомобилей до топливных элементов превратить его в пригородных гаражей.
Вы можете узнать больше о топливных элементов на 2002 Весна Айше Национальный Встреча в Новый Орлеан, Луизиана, 10-14 марта, которая включает актуальные конференция на тему "Технология топливных элементов: возможности и вызовы". Кроме того, новая серия важнейших вопросов, Айше, которая будет проводиться совместно с совещанием, включает в себя "Форум по альтернативной энергетике Параметры", в том числе топливных элементов.
