Nếu bạn đọc bài báo về pin nhiên liệu, bạn sẽ biết rằng chúng sản xuất điện từ hydro và oxy, và chỉ thải ra hơi nước. Vấn đề chính của pin nhiên liệu chạy bằng hydro liên quan đến việc lưu trữ và phân phối hydro. Xem Cách hoạt động của nền kinh tế hydgrogen để biết thêm chi tiết.
Khí hydro không phải là nhiên liệu quá đậm đặc về năng lượng, có nghĩa là nó chứa ít năng lượng trên một đơn vị thể tích so với nhiên liệu lỏng như xăng hoặc metanol. Vì vậy, rất khó để lắp đủ lượng khí hydro vào một chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu để cung cấp cho nó một phạm vi lái hợp lý. Hydro lỏng có mật độ năng lượng tốt, nhưng nó phải được bảo quản ở nhiệt độ cực thấp và áp suất cao; điều này làm cho việc lưu trữ và vận chuyển nó khá khó khăn.
Các nhiên liệu phổ biến như khí đốt tự nhiên, propan và xăng, và các nhiên liệu ít phổ biến hơn như metanol và etanol, đều có hydro trong cấu trúc phân tử của chúng. Nếu có một công nghệ có thể loại bỏ hydro khỏi các nhiên liệu này và sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu, vấn đề lưu trữ và phân phối hydro sẽ được loại bỏ gần như hoàn toàn.
Công nghệ đó đang được phát triển. Nó được gọi là bộ xử lý nhiên liệu hoặc một nhà cải cách . Trong ấn bản này của HowStuffWorks , chúng ta sẽ tìm hiểu cách công cụ cải cách hơi nước hoạt động.
Nội dung
Công việc của bộ xử lý nhiên liệu là cung cấp hydro tương đối tinh khiết cho pin nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu sẵn có hoặc dễ vận chuyển. Các bộ xử lý nhiên liệu phải có khả năng thực hiện điều này một cách hiệu quả với mức ô nhiễm tối thiểu - nếu không, chúng phủ nhận lợi ích của việc sử dụng pin nhiên liệu ngay từ đầu.
Đối với ô tô, vấn đề chính là lưu trữ năng lượng . Để tránh có các bình chứa lớn, áp suất nặng, nhiên liệu lỏng được ưu tiên hơn là khí. Các công ty đang nghiên cứu các bộ xử lý nhiên liệu cho nhiên liệu lỏng như xăng và metanol. Metanol là nhiên liệu hứa hẹn nhất trong ngắn hạn; nó có thể được lưu trữ và phân phối theo cách giống như xăng dầu hiện nay.
Đối với nhà ở và sản xuất điện tĩnh, các nhiên liệu như khí đốt tự nhiên hoặc propan được ưu tiên. Nhiều trạm điện và nhà ở đã được nối với nguồn cung cấp khí đốt tự nhiên bằng đường ống. Và một số ngôi nhà không được nối với đường khí đốt có bình chứa khí propan. Vì vậy, việc chuyển đổi những nhiên liệu này thành hydro để sử dụng trong pin nhiên liệu tĩnh là rất hợp lý.
Cả metanol và khí tự nhiên đều có thể được chuyển đổi thành hydro trong máy định dạng hơi nước .
Có một số loại thiết bị cải tạo hơi nước, một loại cải tạo metanol và cải cách khác khí tự nhiên .
Công thức phân tử của metanol là CH 3 OH . Mục tiêu của nhà cải cách là loại bỏ càng nhiều hydro ( H ) từ phân tử này càng tốt, đồng thời giảm thiểu phát thải các chất ô nhiễm như carbon monoxide ( CO ). Quá trình bắt đầu bằng sự hóa hơi của metanol lỏng và nước. Nhiệt tạo ra trong quá trình tái tạo được sử dụng để thực hiện điều này. Hỗn hợp metanol và hơi nước này được đi qua một buồng nung nóng có chứa chất xúc tác.
Khi các phân tử metanol va vào chất xúc tác, chúng phân tách thành cacbon monoxit ( CO ) và khí hydro ( H 2 ):
Hơi nước tách thành khí hydro và oxy; oxy này kết hợp với CO để tạo thành CO 2 . Bằng cách này, rất ít CO được giải phóng, vì hầu hết nó được chuyển đổi thành CO 2 .
Khí tự nhiên, được thành phần chủ yếu từ mêtan ( CH 4 ), được xử lý bằng cách sử dụng một phản ứng tương tự. Mêtan trong khí tự nhiên phản ứng với hơi nước tạo thành khí cacbon monoxit và hydro.
Cũng giống như khi biến đổi metanol, hơi nước tách thành khí hydro và oxy, oxy kết hợp với CO để tạo thành CO 2 .
Cả hai phản ứng này đều không hoàn hảo; một số metanol hoặc khí tự nhiên và cacbon monoxit đi qua mà không phản ứng. Chúng được đốt cháy với sự có mặt của chất xúc tác, với một ít không khí để cung cấp oxy. Điều này chuyển đổi hầu hết CO còn lại thành CO 2 , và metanol còn lại thành CO 2 và nước. Nhiều thiết bị khác có thể được sử dụng để làm sạch bất kỳ chất ô nhiễm nào khác, chẳng hạn như lưu huỳnh, có thể có trong dòng khí thải.
Điều quan trọng là phải loại bỏ carbon monoxide từ dòng khí thải vì hai lý do:Thứ nhất, nếu khí CO đi qua pin nhiên liệu, hiệu suất và tuổi thọ của pin nhiên liệu bị giảm; thứ hai, nó là một chất gây ô nhiễm được quản lý, vì vậy ô tô chỉ được phép sản xuất một lượng nhỏ chất này.
Để tạo ra nguồn điện, một số hệ thống phải làm việc cùng nhau để cung cấp sản lượng điện cần thiết. Một hệ thống điển hình sẽ bao gồm một tải điện (chẳng hạn như một ngôi nhà hoặc động cơ điện), pin nhiên liệu và một bộ xử lý nhiên liệu .
Hãy lấy trường hợp của một chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu. Khi bạn đạp ga (hydro), một số điều xảy ra cùng lúc:
Một chuỗi các sự kiện tương tự xảy ra trong ngôi nhà của bạn khi bạn đột ngột tăng nhu cầu điện. Ví dụ:khi điều hòa không khí của bạn bật, sản lượng điện của pin nhiên liệu phải tăng lên nhanh chóng, nếu không đèn sẽ mờ đi cho đến khi pin nhiên liệu có thể đáp ứng kịp nhu cầu.
Bộ xử lý nhiên liệu cũng có những hạn chế, bao gồm cả ô nhiễm và hiệu suất nhiên liệu tổng thể .
Mặc dù các bộ xử lý nhiên liệu có thể cung cấp khí hydro cho pin nhiên liệu trong khi tạo ra ít ô nhiễm hơn nhiều so với động cơ đốt trong, chúng vẫn tạo ra một lượng carbon dioxide đáng kể (CO 2 ). Mặc dù khí này không phải là chất gây ô nhiễm được quy định, nhưng nó bị nghi ngờ góp phần vào sự nóng lên toàn cầu.
Nếu hydro tinh khiết được sử dụng trong pin nhiên liệu, sản phẩm phụ duy nhất là nước (ở dạng hơi nước). Không có CO 2 hoặc bất kỳ loại khí nào khác được phát ra. Nhưng vì ô tô chạy bằng pin nhiên liệu sử dụng bộ xử lý nhiên liệu thải ra một lượng nhỏ các chất ô nhiễm được quy định, chẳng hạn như carbon monoxide, chúng sẽ không đủ tiêu chuẩn là xe không phát thải (ZEV) theo luật khí thải của California. Hiện tại, các công nghệ chính đủ tiêu chuẩn là ZEV là ô tô điện chạy bằng pin và ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro.
Thay vì cố gắng cải thiện các bộ xử lý nhiên liệu đến mức chúng sẽ không thải ra các chất ô nhiễm được quy định, một số công ty đang nghiên cứu những cách mới để lưu trữ hoặc sản xuất hydro trên xe . Ovonic đang phát triển một thiết bị lưu trữ hydrua kim loại có khả năng hấp thụ hydro giống như một miếng bọt biển hút nước. Điều này giúp loại bỏ nhu cầu về bình chứa áp suất cao và có thể tăng lượng hydro có thể được lưu trữ trên xe.
Powerball Technologies muốn sử dụng những quả bóng nhựa nhỏ chứa đầy natri hyđrua, tạo ra hyđrô khi mở ra và thả vào nước. Sản phẩm phụ của phản ứng này, natri hydroxit lỏng , là một loại hóa chất công nghiệp được sử dụng phổ biến.
Một nhược điểm khác của bộ xử lý nhiên liệu là nó làm giảm hiệu suất tổng thể của ô tô chạy bằng pin nhiên liệu. Bộ xử lý nhiên liệu sử dụng nhiệt và áp suất để hỗ trợ các phản ứng tách hydro. Tùy thuộc vào loại nhiên liệu được sử dụng, và hiệu suất của pin nhiên liệu và bộ xử lý nhiên liệu, việc cải thiện hiệu suất so với xe ô tô chạy bằng xăng thông thường có thể khá nhỏ. Xem phần so sánh này về hiệu quả của ô tô chạy bằng pin nhiên liệu, ô tô chạy bằng xăng và ô tô điện.
Cách hệ thống quản lý nhiên liệu hoạt động
Hệ thống nhiên liệu trên xe hoạt động như thế nào?
Hệ thống nhiên liệu trong xe của tôi hoạt động như thế nào?
Bộ chế hòa khí hoạt động như thế nào?