Információ

Van-e hidrogéngáz a biogázban, és spontán meggyullad?

Van-e hidrogéngáz a biogázban, és spontán meggyullad?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Van-e hidrogéngáz a biogázban? Mivel erősen gyúlékony, meggyújthatja a többi gázt, például a metánt?


A biogáz összetétele nagymértékben függ a forrásától és a fermentáló mikrobától. De általában 0-1% hidrogént tartalmaz. Még ha nagy mennyiségben is tartalmazna, a keverék gyúlékony lenne, de külső gyújtóforrás nélkül nem lobbanna lángra, ami lehet kisebb hőingadozás, ha a keverék túl instabil. De általában egy gyúlékony gáz nem kezd magától égni.


Egy éghető hidrogén-levegő keverék öngyulladási hőmérséklete 500 C-os forrás - Wikipédia. Önmagától nem gyullad meg, egy részének először el kell érnie ezt a hőmérsékletet szikrán, lángon vagy más hőforráson keresztül. Amint meggyullad, természetesen a metán is el fog égni.


Biogáz: bevezetés

A biogáz többnyire metán (körülbelül 60%) szén-dioxiddal (körülbelül 40%), valamint kevés hidrogén és kénhidrogén. Anaerob baktériumok állítják elő, amelyek oxigén hiányában lebontják a szerves anyagokat (amikor a szerves anyag vizes – azaz iszap). A folyamat a hulladéklerakókban, valamint az emberek és más állatok emésztőrendszerében is előfordul (igen, a fing biogáz).

A biogáz természetesen a mocsarak alján lévő iszapban keletkezik – ezt hívják mocsárgáznak –, és a baktériumok által termelt gázok spontán meggyulladása miatt kevés lángot okozhat a víz felett. és meggyújtja a metánt.

Kis kísérleti biogáz emésztő. A hulladékanyagot az olajhordóba helyezik, a neoprén burkolat felemelkedik, ha megtelik gázzal, a gázt egy tartályba (fejjel lefelé fordított, vízzáras műanyag hordóba) csapják, amely felemelkedik, ha több gáz lép be. Amikor megtelt, a gáz lecsapható és egy kis gázgyűrűn keresztül használható.

De mi magunk is elkészíthetjük növényi és állati hulladékból, sőt, még az emberi hulladék lágy anyaga is jobb, mint a gally/fás anyag. A biogázt el lehet égetni generátor meghajtására, vagy kisebb mértékben főzéshez vagy gázlámpák meggyújtásához. Ezenkívül biogázmotorokat fejlesztettek ki a közlekedéshez.

Azt a berendezést, amelyben a szerves anyag anaerob módon lebomlik, emésztőnek nevezik, és van valamilyen tárolóedény is a megtermelt gáz számára. A nyers biogáz oltott mészen való átvezetésével ‘tisztítható’, ami eltávolítja a CO 2 nagy részét és növeli a fűtőértékét.

Mini-biogáz kísérlet, pontosan ugyanazon az elven működik, mint a fenti emésztő.

A rothasztók két fő típusa a folyamatos és a szakaszos. A folyamatos rothasztók állandó anyagátbocsátással rendelkeznek, és a szakaszos rothasztók kivonják a gázt a benne lévő anyagtételből, amelyet ezután kiürítenek, és egy új adagot adnak hozzá.

A fejlődő országokban, különösen Indiában és Kínában már széles körben alkalmazzák a biogáz-rombolót, mivel a főzéshez szükséges tűzifa egyre ritkább. Indiában és Kínában több millió kis családi növény található. Nyugaton az emésztőberendezések általában nagyobb méretűek, állati hígtrágyát és emberi szennyvizet vesznek fel. De hazai léptékűek is lehetnek azok számára, akik szeretnék csökkenteni a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőségüket.

Állati trágyával és konyhai hulladékkal működő pici biogáz rothasztó, amely főzéshez gázt termel és a kertbe komposzt lefolyik, a gáz tárolására pedig autóbelső csövet használ!

Milyen előnyei vannak a biogáznak?

Csökkenti a CO 2 kibocsátást

Mert ez a földgáz helyettesítője. Mivel a biogázból származó CO 2 a közelmúltban élő növényi anyagokból származik (még akkor is, ha állatokkal etették), ez egy ciklus része – azaz a biogáz elégetése során felszabaduló CO 2-t a növények elnyelik, amelyek a jövőben biogázt biztosítanak majd, és így tovább.

Csökkenti a metán kibocsátást

Az emberi tevékenység következtében a légkörbe kerülő metán mintegy 40%-áért az állattenyésztés a felelős. A metán elégetésekor CO 2 szabadul fel, de a metán körülbelül 30-szor erősebb üvegházhatású gázként, mint a CO 2, ezért jó ötlet inkább elégetni, mint kibocsátani. Azonban jobb, ha a szerves hulladékot szétválasztják és egy anaerob rothasztóba helyezik, ahelyett, hogy a metánt a szemétlerakókról gyűjtenék össze, és több energiát takarítana meg, ha az összes szerves hulladékot, beleértve a papírt is, újrahasznosítanák, ahelyett, hogy leraknák – ráadásul megakadályozza a kimosódást. szennyeződések a talajvízbe és a talajba.

Egyszerűsített keresztmetszete az állati és emberi hulladékhoz használt rothasztótípusnak egész Kínában és a Távol-Keleten. Ebbe a rendszerbe WC is beépíthető. Kép: Tkarcher, CC BY-SA

Csökkenti az erőforrás-felhasználást

A biogáz szállításához nincs szükség több millió mérföldnyi csőre, és nem kell cseppfolyósítani és szállítani a világ minden tájára, az összes erőforrással és energiával együtt, amit ezek a dolgok magukban foglalnak. Ráadásul a fákat kíméli (tűzifának). A földgáz véges, ezért nem tart örökké – és valószínűleg háborúk lesznek érte, amint kifogy.

Valamivel nagyobb, helyi kisgazdaságokból gyűjtött állati trágyával feltöltött rothasztó, acélgyapot szűrővel a hidrogén-szulfid eltávolítására, gáztároló tartályok vízzárral, valamint a gázzal való főzés bemutatója.

Két megújuló erőforrást hoz létre

A szennyvíziszap és az állati hígtrágyák általában egyébként is műtrágyaként kerülnek ki, ezért jobb, ha először üzemanyagot nyerünk belőle, és ezzel egyidejűleg megakadályozzuk a lefolyást és a metánkibocsátást – és a folyamat végén is kapunk műtrágyát. Ez a hiányzó láncszem azoknak, akik át akarnak váltani a fosszilis tüzelőanyagokról – sokan fával, a vizet pedig napenergiával fűtik, az áramot pedig szél- és napenergiából nyerik –, de a főzés gondot okoz, mert túl drága az áram, Az agak drágák, sokáig tart begyújtani, és nyáron túl meleg lesz a hely. Főzéshez a gáz a legjobb, de biogázzal ez gázszámla nélkül is megoldható.

Megjegyzés: a többi bioüzemanyaghoz hasonlóan úgy gondoljuk, hogy az alapanyagnak (alapanyagnak) hulladéknak kell lennie. Nem gondoljuk, hogy jó ötlet nagy területeket elkülöníteni üzemanyag-termesztésre, amikor a világ nagy részén nincs elég élelem (bár az élelmiszernövényekből származó hulladék rendben van). Lásd: Biofuel Watch. Ezenkívül a nagyméretű rothasztókat nagy üzemeknek, például üzemi gazdaságoknak vagy szennyvíztelepeknek kell táplálniuk. Ezek magukkal hozzák a maguk problémáit, például a hormonokat, az állatkínzást, valamint az energiaigényes szállítást és vegyszereket. Úgy gondoljuk, hogy a legjobb megoldás általában a lehető legkisebb léptékű – jelen esetben a tanyasi vagy hazai léptékű.

Élelmiszer-hulladék hozzáadása egy kis emésztőhöz.

Mit tehetek?

Felállítása

Valamilyen dobon/tartályon alapuló szakaszos rothasztók hazai méretekben megvalósíthatók. Ázsiában népszerűek a folyamatos rothasztók, amelyek beton- vagy acél gáztartályos be- és kimeneti aknák. Megépítheti saját magát – olvasson könyvet, tekintse meg linkoldalunkat vagy vegyen részt egy tanfolyamon.

Hogyan építsünk háztartási/gazdasági méretű biogáz emésztőt.

Méretezés

Indiában egy 8 tagú, néhány állatot (mondjuk 8-10 tehenet) számláló családnak egy 10 m³-es rothasztó ajánlott, 2 m³ gáztárolóval. De egy tipikus kis családi emésztő körülbelül egy köbméteres lesz. A főzéshez és a világításhoz’nem kell sok. Minden kilogramm biológiailag lebomló anyag körülbelül 0,4 m³ (400 l) gázt termel, a gázlámpáknak pedig körülbelül 100 litert kell óránként. 2 gázgyűrű napi pár órára 1-2 m³-t használ el, így ha van egy kis állatod, plusz konyhai és emberi hulladékod, akkor ezt könnyedén megteheted. Ha bármilyen motort (pl. generátort vagy szivattyút) kell vezetni, az más kérdés, és messze túlmutat a hazai méreteken. Az, hogy mennyi ideig hagyja az anyagot egy szakaszos rothasztóban, a hőmérséklettől függ (2 hét 50°C-on, 2 hónap 15°C-on). Az átlag körülbelül 1 hónap, ezért mérje fel, mennyi anyagot fog hozzáadni minden nap, és szorozza meg 30-zal, hogy kiszámítsa a rothasztó méretét.

Biogáz emésztő egy családi farmon Indiában, semmi oka annak, hogy ne lehetne sikeresen alkalmazni Nyugaton is.

Amit nem támogatunk, az a gigantikus emésztőberendezések felépítése, amelyek hatalmas mennyiségű kukoricát fogadnak el, amelyet kifejezetten a rothasztók táplálására termesztenek. Erről bővebben itt és itt olvashat. Ez nem azt jelenti, hogy a biogáz rossz ötlet, ez csak egy "kicsi, szép" probléma, amelyet a legjobb, hogy hulladékot gyűjtsenek energia és komposzt előállítására a gazdaságban. Ez a méret a probléma, nem a technológia. A két cikk közül a másodikból:

“Az első és legnyilvánvalóbb probléma az, hogy ez azt jelenti, hogy a földet kivonják az élelmiszertermelésből. Az egy megawatt teljesítményű biogázüzem évi 20 000-25 000 tonna [kukoricát] igényel, ami 450-500 hektár földterületet jelent’. Amikor ezt olvassa, gondoljon arra, hogy egy tengeri szélturbina átlagos teljesítménye négy megawatt. Négyszázötven hektár föld vagy egy betonoszlop a tengerfenékben – lehet kétség afelől, hogy melyik a jobb megoldás?”

Forrásvíz biogázzal.

Használat

A bevitt hulladéknak iszapnak kell lennie – ezért adjon hozzá vizet, ha túl szilárd. Próbáld minél magasabban tartani a hőmérsékletet, egy kis hőt termel, de a hidegebb országokban a rothasztónak szigetelésre, sőt télen még egy kis plusz hőre is szüksége lesz (amit a biogáz egy része biztosíthat). Az üvegház jó hely erre.

Biztonság

A metán robbanásveszélyes – biztonsági megfontolásokért tekintse meg az Adelaide Egyetem weboldalát.

Amíg itt van, miért nem tekinthet meg a többi, több mint 25 elérhető segédprogram témakört? És ne felejtse el ellátogatni fő témaoldalunkra, ahol a csekély hatású életmód több mint 200 aspektusát fedezheti fel, valamint honlapunkat, hogy többet megtudjon arról, miért csináljuk, amit csinálunk.

Szeretnénk hallani észrevételeit, tippjeit és tanácsait ezzel a témával kapcsolatban, és ha feltesz egy kérdést, megpróbálunk egy szakembert felkérni hálózatunkra, hogy válaszoljon rá.


Biohidrogén

23.2.1 Biohidrogén gázosítással

A biogázból biohidrogén előállítása mellett a biomassza elgázosításával is előállítható, hasonlóan a bio-SNG előállításához. Olyan gázosítási eljárást kell alkalmazni, amely magasabb hidrogéntartalmú gázt állít elő. Ellenkező esetben további gőzreformálásra van szükség a metán hidrogénné alakításához. A vízgáz eltolódást a hidrogénhozam növelésére használják. Ezután a maradék CO 2 nyomásingadszorpcióval vagy kerámia membránleválasztással távolítják el, így biohidrogén marad vissza, amelyet autóüzemanyagként kell használni. Ahhoz, hogy ilyen módon használhassuk, préselni vagy cseppfolyósítani kell, vagy fémhidridekben kell tárolni. A hidrogén belső égésű motorokban vagy üzemanyagcellákban egyaránt használható. Mivel az üzemanyagcellás járművek kereskedelmi forgalomban még nem kaphatók, és a hidrogén elosztási infrastruktúrája nem valósítható meg rövid távon, a biohidrogént hosszabb távú lehetőségnek tekintik a közlekedési szektorban. A biohidrogén továbbfejlesztésének fő kihívásai hasonlóak a többi gázosításból származó bioüzemanyaghoz (kivéve az SNG-t).

A szuperkritikus gázosítás, amely egy lehetőség az SNG előállítására, szintén hasznos technológia a biohidrogén előállításához. Ebben az esetben azonban gőzreformálásra van szükség, hogy a képződött metánt hidrogénné alakítsák, ami megdrágítja az eljárást. Egy másik lehetőség a hidrogén előállítására nedves biomasszából, amely szintén még laboratóriumi méretekben van, a sötét- és fotófermentációnak nevezett technológia. A hidrogén közvetlenül előállítható anaerob lebontással (biogáz). A sötét fermentáció hasonló folyamat, azonban úgy manipulálják, hogy a kívánt végtermék hidrogén közvetlenül keletkezzen, metán képződése nélkül, míg a hidrogén általában köztes termék az anaerob lebontásban. A sötét erjedés során a hidrogén mellett szerves savak is keletkeznek, amelyeket a fotofermentációnak nevezett eljárással hidrogénné lehet alakítani.


Van-e hidrogéngáz a biogázban, és spontán meggyullad? - Biológia

A metános fermentáció egy sokoldalú biotechnológia, amely szinte minden típusú polimer anyagot képes anaerob körülmények között metánná és szén-dioxiddá alakítani. Ez a polimerek metánná és szén-dioxiddá történő egymást követő biokémiai lebomlásának eredményeként érhető el olyan környezetben, ahol számos mikroorganizmus, köztük fermentációs mikrobák (acidogének), hidrogéntermelő, acetátképző mikrobák (acetogének) és metántermelő mikrobák jelennek meg. (metanogének) harmonikusan növekednek és csökkentett végtermékeket állítanak elő. Az anaerobok fontos szerepet játszanak a stabil környezet megteremtésében a metán fermentáció különböző szakaszaiban.

A metános fermentáció hatékony eszközt kínál a szennyezés csökkentésére, jobb, mint a hagyományos aerob eljárásokkal. Noha évtizedek óta alkalmazzák, az anaerob fermentáció iránti érdeklődés csak a közelmúltban irányult az ipari és mezőgazdasági többletből származó fűtőgáz gazdasági kinyerésére való felhasználására.

Itt tárgyaljuk a polimer anyagok metánná történő anaerob bomlásának biokémiáját és mikrobiológiáját, valamint az érintett mikroorganizmusok szerepét. Áttekinti a metanogének molekuláris biológiájában elért közelmúltban elért eredményeket, új emésztőket ír le, és szóba kerül a különféle típusú bioreaktorok működésének fejlesztése is.

A metános fermentáció a mikroorganizmusok különböző csoportjai közötti metabolikus kölcsönhatások sorozatának a következménye. A metánfermentációban részt vevő mikroorganizmusok leírását a szennyvíziszap-rombolókból és egyes állatok bendőjéből izolált baktériumok elemzése alapján a 4-1. ábra foglalja össze. A mikroorganizmusok első csoportja olyan enzimeket szekretál, amelyek a polimer anyagokat monomerekké hidrolizálják, például glükózzá és aminosavakká, amelyek ezt követően magasabb illékonyságú zsírsavakká, H2-vé és ecetsavvá alakulnak (4-1. ábra, 1. lépés). A második szakaszban a hidrogéntermelő acetogén baktériumok a magasabb illékonyságú zsírsavakat, például propionsavat és vajsavat H 2 -vé, CO 2 -vé és ecetsavvá alakítják. Végül a harmadik csoport, a metanogén baktériumok H 2 -t, CO 2 -t és acetátot alakítanak át CH 4 -vé és CO 2 -dá.

A polimer anyagokat, például a lipideket, fehérjéket és szénhidrátokat elsősorban az extracelluláris hidrolázok hidrolizálják, amelyeket az 1. szakaszban jelenlévő mikrobák választanak ki (4-1. ábra). A hidrolitikus enzimek (lipázok, proteázok, cellulázok, amilázok stb.) a hozzájuk tartozó polimereket kisebb molekulákká, elsősorban monomer egységekre hidrolizálják, amelyeket aztán a mikrobák elfogyasztanak. A nagy koncentrációjú szerves polimereket tartalmazó szennyvizek metános fermentációja során az egyes polimerekre vonatkozó hidrolitikus aktivitás kiemelkedő jelentőséggel bír, mivel a polimer hidrolízis sebességkorlátozó lépéssé válhat az egyszerűbb bakteriális szubsztrátok előállításához, amelyeket a következő lebontási lépésekben használnak majd fel. .

A lipázok a lipideket hosszú szénláncú zsírsavakká alakítják. 10 4-10 5 lipolitikus baktérium/ml emésztőfolyadék populációsűrűségről számoltak be. Úgy tűnik, hogy az extracelluláris lipáz termelők többségéért a Clostridiumok és a mikrococcusok felelősek. A képződött hosszú szénláncú zsírsavak p-oxidációval tovább bomlanak, így acetil-CoA keletkezik.

A fehérjéket általában a Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas és Streptococcus által kiválasztott proteázok aminosavakká hidrolizálják. Az előállított aminosavak ezután zsírsavakra, például acetátra, propionátra és butirátra, valamint ammóniára bomlanak le, amint az megtalálható a Clostridiumban, Peptococcusban, Selenomonasban, Campylobacterben és Bacteroidesben.

A poliszacharidokat, például a cellulózt, a keményítőt és a pektint cellulázok, amilázok és pektinázok hidrolizálják. A mikrobiális cellulázok többsége három fajból áll: (a) endo-(3-l,4-glükanázok (b) exo-pl,4-glükanázok (c) cellobiáz vagy p-glükozidáz Ez a három enzim szinergikusan hat a cellulózra. kristályszerkezetét hatékonyan hidrolizálva glükózt állít elő. A nyers keményítő glükózzá történő mikrobiális hidrolízise amilolitikus aktivitást igényel, amely 5 amilázfajtából áll: (a) a-amilázok, amelyek a ±1-4 kötést endokliaizálják (b) p-amilázok, amelyek exoklálják a A ±1-4 kötődik (c) amiloglükozidázok, amelyek exokleálnak egy ±l-4 és egy ±l-6 kötést (d) az elágazást megszüntető enzimek, amelyek egy ±l-6 kötésre hatnak (e) a maltáz, amely a maltózt felszabadító, glükóz-aregradált p-lebontó p-glükóz-arezonokra hat. A xilánokat ²-endo-xilanázzal és ²-xilozidázzal lebontják xilóz előállítására.

A hexózok és pentózok általában C 2 és C 3 intermedierekké és redukált elektronhordozókká (pl. NADH) alakulnak át közös utakon. A legtöbb anaerob baktérium hexóz metabolizmuson megy keresztül az Emden-Meyerhof-Parnas útvonalon (EMP) keresztül, amely a NADH mellett köztitermékként piruvátot termel. Az így keletkezett piruvát és NADH fermentációs endotermékekké, például laktáttá, propionáttá, acetáttá és etanollá alakul át más enzimaktivitások révén, amelyek a mikrobiális fajtáktól függően rendkívül változóak.

Így a hidrolízisben és az acidogenezisben (4-1. ábra, 1. szakasz) a biopolimerek mikrobiális lebomlása során keletkező cukrok, aminosavak és zsírsavak egymást követően metabolizálódnak a fermentációs endotermékek, például laktát, propionát, acetát és etanol által más anyagok által. enzimaktivitások, amelyek a mikrobiális fajoktól függően rendkívül eltérőek.

Így a hidrolízis és az acidogenezis során (4-1. ábra, 1. szakasz) a biopolimerek mikrobiális lebomlása során keletkező cukrok, ammósavak és zsírsavak egymást követően baktériumcsoportok által metabolizálódnak, és elsősorban acetáttá, propionáttá, butiráttá, laktáttá, etanol, szén-dioxid és hidrogén (2).

Bár az acetát egy része (20%) és H 2 (4%) közvetlenül keletkezik cukrok és aminosavak acidogén fermentációjával, mindkét termék elsősorban a magasabb illékony zsírsavak acetogeneziséből és dehidrogénezéséből származik (4-1. ábra, 2. szakasz). ).

A kötelező H 2 -termelő acetogén baktériumok magasabb zsírsavakból acetátot és H 2 -t képesek előállítani. Eddig csak a Syntrophobacter wolinii-t, a propionát-lebontót (3) és a Sytrophomonos wolfei-t, a butirát-lebontót (4) sikerült elkülöníteni a tiszta törzsek izolálásával kapcsolatos technikai nehézségek miatt, mivel a keletkező H 2 erősen gátolja e törzsek növekedését. A H 2 fogyasztókat, például metanogéneket és szulfátredukáló baktériumokat magában foglaló kotenyésztési technikák alkalmazása ezért megkönnyítheti a zsírsavak biokémiai lebomlásának tisztázását.

A hosszú szénláncú zsírsavak általános lebontási reakcióit a 4-1. és 4-2. táblázat mutatja be. Az acetogének H 2 termelése általában energetikailag kedvezőtlen a nagy szabadenergia-igény miatt (a ”G o, > 0 4-1. és 4-2. táblázat).A H 2 -fogyasztó baktériumok kombinációjával (4-2. táblázat, 4-3. táblázat) azonban az együtttenyésztési rendszerek kedvező feltételeket biztosítanak a zsírsavak acetáttá és CH 4 -é vagy H 2 S-vé történő lebomlásához ( a ”G o , < 0). A hosszú szénláncú zsírsavak lebontása mellett az etanolt és a laktátot egy acetogén, illetve a Clostridium formicoaceticum is acetáttá, illetve H 2 -vé alakítja.

A H 2 parciális nyomásának az etanol, propionát, acetát és H 2 /CO 2 átalakulásával járó szabad energiára gyakorolt ​​hatását a metános fermentáció során a 4-2. A H 2 rendkívül alacsony parciális nyomása (10-5 atm) jelentős tényezőnek tűnik a propionát CH 4 -dá történő lebomlásakor. Ilyen alacsony parciális nyomás érhető el H 2 -fogyasztó baktériumokkal való együtttenyésztésben, amint azt korábban leírtuk (4-2, 4-3 táblázat).

A metanogének fiziológiailag metántermelőként egyesülnek az anaerob emésztés során (4-1. ábra, 3. szakasz). Bár az acetát és a H 2 /CO 2 a természetes környezetben elérhető fő szubsztrát, a formiát, a metanol, a metil-aminok és a CO is átalakul CH 4 -dá (4-3. táblázat).

4-1. táblázat A Syntrophomonas wolfei zsírsavkatabolizmusában részt vevő javasolt reakciók

+ 2 H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6 H2O4CH3COO- + 6H2 + 3H+

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - + 4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

4-2. táblázat Az anaerob oxidációval járó reakciók szabadenergia-változásai tiszta tenyészetekben vagy H 2 -t tartalmazó kotenyészetekben - metanogéneket vagy Desulfovibrio spp.

1. Protonredukáló (H 2 -termelő) acetogén baktériumok

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2

2. H 2 -metanogének és deszulfovibriók felhasználásával

C. 4H 2 + HCO 3 - + H + CH 4 + 3 H 2 O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 " 4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

4-3. táblázat Metanogének energiatermelő reakciói

CO 2 + 4 H 2 ® CH 4 + 2H 2 O

HCO 3 - + 4 H 2 + H + ® CH 4 + 3 H 2 O

CH 3 COO - + H 2 O ® CH 4 + HCO 3 -

HCOO - + H + ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + 0,5 H 2 O

CO + 0,5 H 2 O ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2

CH 3OH ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H 2 O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NH 2 + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH 3 ) 3 NH+ 1,5 H 2 O ® 2,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + NH 4 +

Mivel a metanogének, mint obligát anaerobok, növekedésükhöz -300 mV-nál kisebb redoxpotenciálra van szükségük, izolálásuk és tenyésztésük némileg megfoghatatlan volt a teljesen O 2 -mentes körülmények között történő kezelésük során felmerülő technikai nehézségek miatt. A Hungate (6) által kifejlesztett, jelentősen továbbfejlesztett metanogén izolálási technikák eredményeként azonban mára több mint 40 tiszta metanogén törzset izoláltak. A metanogének két csoportra oszthatók: H 2 /CO 2 - és acetátfogyasztókra. Bár a H 2 /CO 2 -fogyasztók egy része képes a formiát hasznosítására, az acetátot korlátozott számú törzs fogyasztja, mint például a Methanosarcina spp. és Methanothrix spp. (most Methanosaeta), amelyek nem képesek formiátot használni. Mivel a természetes környezetben nagy mennyiségű acetát termelődik (4-1. ábra), a Methanosarcina és a Methanothrix fontos szerepet játszik az anaerob emésztés befejezésében és a H 2 felhalmozódásában, ami gátolja az acetogéneket és a metanogéneket. A H 2 -fogyasztó metanogének szintén fontosak a légköri H 2 alacsony szintjének fenntartásában.

A H 2 /CO 2 -fogyasztó metanogének a formil-, metenil- és metilszinteken keresztül redukálják a CO 2-t, mint elektronakceptort, szokatlan koenzimekkel társulva, így végül CH 4 (7) keletkezik (4-3. ábra). A teljes acetoklasztos reakció a következőképpen fejezhető ki:

Mivel a CO 2 egy kis része a metilcsoportból származó szénből is képződik, gyanítható, hogy a metilcsoportból származó csökkent potenciál a CO 2 -t CH 4 -re redukálhatja (8).

A 16S rRNS-ek homológ szekvenciaelemzése alapján a metanogéneket az élő szervezetek három elsődleges birodalmának egyikébe sorolták be: az Archaeákba (Archaebacteria). Az Archaea olyan fő organizmuscsoportokat is tartalmaz, mint a termofilek és a halofilek. Bár az Archaea prokarióta sejtszerkezettel és szerveződéssel rendelkezik, közös vonásuk van az eukariótákkal: homológ szekvenciák az rRNS-ben és tRNS-ben, az inn-onok jelenléte genomjukban, hasonló RNS-polimeráz alegység-szerveződés, immunológiai homológiák és transzlációs rendszerek.

A rekombináns DNS technológia az egyik leghatékonyabb módszer a metanogenezis biokémiai és genetikai szabályozásának jellemzésére. Ez szükségessé teszi a genetikai markerek kiválasztását, egy hatékony genetikai transzformációs rendszert és a genetikai rekombinációhoz szükséges vektorrendszert, mint előfeltételt.

A genetikailag jelölt törzsek a genetikai vizsgálatok előfeltételei: ezekkel a törzsekkel hatékony szelekciós rendszeren alapuló genetikai csererendszert lehet kifejleszteni a metanogénekben. Mivel a M. thermoautotrophicum növekedését a fluorouracil gátolja, az analóg-rezisztens törzseket spontán mutációval izoláltuk. Mutagén kezeléssel az autotróf mutánsokon kívül további DL-etioninra vagy 2-bróm-etánszulfonátra (koenzim M analóg) rezisztens mutánsokat is kaptunk. Az acetoklasztikus metanogén, az M. voltae esetében is számos autotróf törzset kaptunk. Ezeket a mutáns törzseket a 4-4. táblázat sorolja fel.

Bár néhány metanogén gént, például aminosav és purin bioszintetikus géneket, transzkripciós és transzlációs gépezet géneket, valamint strukturális fehérje géneket klónoztak, a metanogenezisben részt vevő enzimeket kódoló géneket itt "metán génnek" választották.

A metil-CoM-reduktáz (MR 4-3. ábra) a metanogén tenyészetekben a teljes fehérje körülbelül 10%-át teszi ki. Az MR jelentősége és bősége elkerülhetetlenül a kezdeti figyelmet a szerkezetének, valamint a szintézisét és szabályozását irányító mechanizmusok tisztázására összpontosította. Az MR-t kódoló géneket Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum és M. fervidus törzsekből klónozták és szekvenálták.

A formil-metanofurán-transzferáz (FTR) katalizálja a formil-csoport átvitelét formil-metanofuránról (MFR) tetrahidrometanopterinre (H 4 MPT) (4-3., 4-2. ábra). Az M. thermoautotrophicumból származó FTR-t kódoló gént E. coliban klónozták, szekvenálták és funkcionálisan expresszálták. A formiát-dehidrogenáz (FDH) néha a metanogén tenyészetekben az összes oldható fehérje 2-3%-át teszi ki. Az FDH a ± és a ² alegységeit kódoló két gént M formicicumból klónozták és szekvenálták. Emellett az F 420-redukáló hidrogenázt (4-3. ábra), a ferredoxint és az ATPázt kódoló géneket is klónozták.

4-4. táblázat: Auxotróf és gyógyszerrezisztens mutánsok, amelyek alkalmazhatók a génátviteli kísérletekben


Tartalom

A HCCI motorok hosszú múltra tekintenek vissza, annak ellenére, hogy a HCCI-t nem alkalmazták olyan széles körben, mint a szikragyújtás vagy a dízel befecskendezés. Ez lényegében egy Otto égési ciklus. A HCCI az elektronikus szikragyújtás használata előtt népszerű volt. Az egyik példa a forró izzós motor, amely forró párologtató kamrát használt az üzemanyag és a levegő keverésének elősegítésére. A sűrítéssel kombinált extra hő az égés feltételeit indukálta. Egy másik példa a "dízel" típusú repülőgép-motor.

Módszerek Szerk

Az üzemanyag és a levegő keveréke meggyullad, ha a reagensek koncentrációja és hőmérséklete kellően magas. A koncentráció és/vagy a hőmérséklet többféleképpen növelhető:

  • Növekvő tömörítési arány
  • Indukciós gázok előmelegítése
  • Kényszer indukció
  • Visszatartott vagy visszavezetett kipufogógázok

Ha meggyullad, az égés nagyon gyorsan megtörténik. Ha az öngyulladás túl korán vagy túl sok vegyi energiával történik, az égés túl gyors, és a magas hengernyomás tönkreteheti a motort. Emiatt a HCCI-t általában szegény üzemanyag-keverékekkel üzemeltetik.

Előnyök Szerkesztés

  • Mivel a HCCI motorok üzemanyag-szegények, a dízelhez hasonló kompressziós aránnyal (>15) működhetnek, így 30%-kal magasabb hatásfokot érnek el, mint a hagyományos SI benzinmotorok. [2]
  • Az üzemanyag és a levegő homogén keveredése tisztább égéshez és alacsonyabb károsanyag-kibocsátáshoz vezet. Mivel a csúcshőmérséklet lényegesen alacsonyabb, mint a tipikus SI-motoroknál, az NOx szintek szinte elhanyagolhatóak. Ezenkívül a technika nem termel kormot. [3]
  • A HCCI motorok működhetnek benzinnel, dízel üzemanyaggal és a legtöbb alternatív üzemanyaggal. [4]
  • A HCCI elkerüli a fojtószelep-veszteséget, ami tovább javítja a hatékonyságot. [5]

Hátrányok Szerk

  • Hidegindítási képesség elérése.
  • A nagy hőleadás és nyomásemelkedés hozzájárul a motor kopásához.
  • Az öngyulladást nehéz szabályozni, ellentétben az SI- és dízelmotorok gyújtási eseményével, amelyeket gyújtógyertyák, illetve hengerbe épített üzemanyag-befecskendezők vezérelnek. [6]
  • A HCCI motorok nyomatéktartománya kicsi, alacsony terhelésnél gyengén gyúlékonysági határok, nagy terheléseknél pedig hengeren belüli nyomáskorlátozások korlátozzák. [7] A (CO) és a szénhidrogén (HC) előkatalizátor kibocsátása magasabb, mint egy tipikus szikragyújtású motoré, amit a tökéletlen oxidáció (a gyors égés és az alacsony hengerhőmérséklet miatt), illetve a megrekedt résgázok okoznak. [8]

Vezérlő Szerkesztés

A HCCI-t nehezebb irányítani, mint más belsőégésű motorokat, például az SI-t és a dízelmotorokat. Egy tipikus benzinmotorban szikrát használnak az előre összekevert üzemanyag és a levegő meggyújtására. A dízelmotorokban az égés akkor kezdődik, amikor az üzemanyagot elősűrített levegőbe fecskendezik. Mindkét esetben az égés időzítése kifejezetten szabályozott. A HCCI motorban azonban az üzemanyag és a levegő homogén keverékét összenyomják, és az égés megkezdődik, amikor elérik a megfelelő nyomást és hőmérsékletet. Ez azt jelenti, hogy egyetlen jól meghatározott égésiniciátor sem biztosít közvetlen vezérlést. A motorokat úgy kell megtervezni, hogy a gyújtási feltételek a kívánt időpontban álljanak elő. A dinamikus működés eléréséhez a vezérlőrendszernek kezelnie kell az égést kiváltó körülményeket. Az opciók közé tartozik a kompressziós arány, az indukciós gáz hőmérséklete, az indukciós gáznyomás, az üzemanyag-levegő arány vagy a visszatartott vagy visszavezetett kipufogógáz mennyisége. Az alábbiakban számos szabályozási megközelítést tárgyalunk.

Tömörítési arány Szerk

Két tömörítési arány jelentős. Az geometriai tömörítési arány a hengerfej tetején található mozgatható dugattyúval cserélhető. Ezt a rendszert dízel-repülőgép-motorokban használják. Az hatékony tömörítési arány csökkenthető a geometriai arányról a szívószelep nagyon késői vagy nagyon korai zárásával, változó szelepműködtetéssel (változtatható szelepidőzítés, amely lehetővé teszi a Miller-ciklust). Mindkét megközelítés energiát igényel a gyors reagáláshoz. Ezenkívül a megvalósítás költséges, de hatékony. [9] A kompressziós arány hatását a HCCI égésére is alaposan tanulmányozták. [10]

Indukciós hőmérséklet Szerk

A HCCI öngyulladása rendkívül érzékeny a hőmérsékletre. A legegyszerűbb hőmérséklet-szabályozási módszer ellenállásfűtőket használ a bemeneti hőmérséklet változtatására, de ez a megközelítés túl lassú ahhoz, hogy ciklusról ciklusra változzon. [11] Egy másik technika az gyors hőkezelés (FTM). Ezt úgy érik el, hogy a beszívott töltési hőmérsékletet meleg és hideg levegőáramok keverésével változtatják. Elég gyors ahhoz, hogy lehetővé tegye a ciklusról ciklusra történő vezérlést. [12] A kivitelezése is költséges, és korlátozott sávszélességgel rendelkezik az aktuátor energiájával kapcsolatban.

Kipufogógáz százalék Szerk

A kipufogógáz nagyon forró, ha visszatartja vagy visszavezeti az előző égési ciklusból, vagy lehűl, ha a hagyományos EGR-rendszerekhez hasonlóan visszavezetik a szívónyíláson. A kipufogógáz kettős hatással van a HCCI égésére. Hígítja a friss töltést, késlelteti a gyújtást és csökkenti a kémiai energiát és a motor teljesítményét. A forró égéstermékek viszont növelik a gáz hőmérsékletét a hengerben, és előmozdítják a gyújtást. Kísérletileg bebizonyosodott, hogy a HCCI-motorok égési időzítésének szabályozását EGR használatával szabályozzák. [13]

Szelep működtetése Szerk

Változtatható szelepműködtetés (VVA) kiterjeszti a HCCI működési tartományát azáltal, hogy finomabban szabályozza a hőmérséklet-nyomás-idő tartományt az égéstérben. A VVA ezt az alábbi módon érheti el:

  • A hatékony kompressziós arány szabályozása: A VVA a szívóoldalon szabályozhatja azt a pontot, ahol a szívószelep záródik. Az alsó holtponton (BDC) túllépés késleltetése megváltoztatja a kompressziós arányt, megváltoztatva a hengeren belüli nyomás-idő borítékot.
  • Az égéstérben visszatartott forró kipufogógáz mennyiségének szabályozása: A VVA szabályozhatja a forró EGR mennyiségét az égéstérben, akár a szelep újranyitásával, akár a szelepek átfedésének megváltoztatásával. A hűtött külső EGR százalékos arányának egyensúlya a VVA rendszer által generált forró belső EGR-rel lehetővé teszi a hengeren belüli hőmérséklet szabályozását.

Míg az elektrohidraulikus és bütyök nélküli VVA rendszerek vezérlést biztosítanak a szelepesemény felett, az ilyen rendszerek alkatrészei jelenleg bonyolultak és költségesek. A mechanikus változtatható emelési és időtartamú rendszerek azonban, bár bonyolultabbak, mint egy szabványos szeleplánc, olcsóbbak és kevésbé bonyolultak. Viszonylag egyszerű az ilyen rendszerek konfigurálása a szelepemelési görbe szükséges szabályozásának eléréséhez.

Üzemanyag keverék Szerk

A működési tartomány kiterjesztésének másik módja a gyújtás kezdetének és a hőleadás sebességének [14] [15] szabályozása magának az üzemanyagnak a manipulálásával. Ezt általában úgy hajtják végre, hogy több üzemanyagot "menet közben" kevernek össze ugyanahhoz a motorhoz. [16] A példák közé tartozik a kereskedelmi benzin és dízel üzemanyagok keverése, [17] a földgáz [18] vagy az etanol alkalmazása. [19] Ezt többféleképpen lehet elérni:

  • Felfelé irányuló keverés: Az üzemanyagok folyékony fázisban keverednek, az egyik alacsony gyulladási ellenállású (például dízel), a másik pedig nagyobb ellenállású (benzin). A gyújtás időzítése ezen üzemanyagok arányától függően változik.
  • Kamrán belüli keverés: Az egyik üzemanyag befecskendezhető a szívócsatornába (nyílásos befecskendezés), a másik pedig közvetlenül a hengerbe.

Közvetlen befecskendezés: PCCI vagy PPCI Combustion Edit

A kompressziós gyújtású közvetlen befecskendezéses (CIDI) égés jól bevált módszer a gyújtás időzítésének és a hőkibocsátási sebesség szabályozására, és a dízelmotorok égésénél alkalmazzák. A részlegesen előre kevert töltésű kompressziós gyújtás (PPCI), más néven előre kevert töltésű kompressziós gyújtás (PCCI) egy kompromisszum, amely a CIDI égés szabályozását kínálja a csökkentett HCCI kipufogógáz-kibocsátással, különösen az alacsonyabb koromtartalommal. [20] A hőleadás sebességét az éghető keverék oly módon történő előkészítésével szabályozzák, hogy az égés hosszabb ideig menjen végbe, így kevésbé hajlamos a kopogásra. Ez úgy történik, hogy a befecskendezési eseményt úgy időzítik, hogy a levegő/üzemanyag arány tartománya szétterüljön az égési hengerben, amikor a gyújtás megkezdődik. A gyulladás az égéstér különböző területein különböző időpontokban történik - lelassítva a hőleadás sebességét. Ezt a keveréket úgy tervezték, hogy minimalizálja az üzemanyagban gazdag zsebek számát, csökkentve a koromképződést. [21] A nagy EGR és a nagyobb gyújtásállóságú dízel üzemanyagok alkalmazása (inkább "benzinszerű") hosszabb keverési időt tesz lehetővé a gyújtás előtt, és ezáltal kevesebb dús zsebet, amely kormot és NO-t termel.
x [20] [21]

Csúcsnyomás és hőleadási sebesség Szerk

Egy tipikus ICE-ben az égés lángon keresztül történik. Ezért bármikor a teljes tüzelőanyagnak csak egy része ég el. Ez alacsony csúcsnyomást és alacsony energialeadási sebességet eredményez. A HCCI-ben azonban a teljes tüzelőanyag/levegő keverék meggyullad és sokkal rövidebb időintervallum alatt ég el, ami magas csúcsnyomást és nagy energialeadási sebességet eredményez. A nagyobb nyomásnak ellenálló motornak szerkezetileg erősebbnek kell lennie. Számos stratégiát javasoltak az égési sebesség és a csúcsnyomás csökkentésére. A különböző öngyulladási tulajdonságokkal rendelkező üzemanyagok keverése csökkentheti az égési sebességet. [22] Ennek megvalósításához azonban jelentős infrastruktúra szükséges. Egy másik megközelítés hígítást alkalmaz (azaz kipufogógázokkal) a nyomás és az égési sebesség (és a teljesítmény) csökkentésére. [23]

Ban,-ben osztott égéstér megközelítés [1], két együttműködő égéskamra van: egy kis segéd- és egy nagy fő.
A kiegészítő égéstérben nagy kompressziós arányt alkalmaznak.
Mérsékelt kompressziós arányt alkalmaznak a fő égéstérben, ahol homogén levegő-üzemanyag keveréket sűrítenek/melegítenek az öngyulladási küszöb közelében, de az alatt.
A nagy kompressziós arány a segédégéstérben a benne lévő homogén sovány levegő-üzemanyag keverék öngyulladását okozza (nincs szükség gyújtógyertyára), az égett gáz - néhány "átvivő nyíláson" keresztül, közvetlenül a TDC előtt - a fő égéstérbe robban. kamra, amely kiváltja az öngyulladását.
A motornak nem kell szerkezetileg erősebbnek lennie.

Power Edit

Az ICE-kben a teljesítmény növelhető, ha több üzemanyagot vezetünk az égéstérbe. Ezek a motorok ellenállnak a teljesítménynövekedésnek, mivel ezekben a motorokban lassú a hőleadás. A HCCI motorokban azonban az üzemanyag/levegő arány növelése magasabb csúcsnyomást és hőleadási sebességet eredményez. Ezenkívül számos életképes HCCI szabályozási stratégia megköveteli az üzemanyag termikus előmelegítését, ami csökkenti az égéstérben a levegő/tüzelőanyag-töltet sűrűségét és így tömegét, csökkentve a teljesítményt. Ezek a tényezők kihívást jelentenek a HCCI motorok teljesítményének növelésében.

Az egyik technika a különböző öngyulladási tulajdonságokkal rendelkező üzemanyagok használata. Ez csökkenti a hőleadás sebességét és a csúcsnyomásokat, és lehetővé teszi az ekvivalencia arány növelését. Egy másik módszer a töltés termikus rétegezése, hogy a sűrített töltet különböző pontjai eltérő hőmérsékletűek legyenek, és különböző időpontokban égjenek, ami csökkenti a hőleadási sebességet és lehetővé teszi a teljesítmény növelését. [24] A harmadik lehetőség az, hogy a motort HCCI üzemmódban csak részterhelés mellett, nagyobb terhelés mellett pedig dízel vagy SI motorként üzemeltetjük. [25]

Kibocsátások Szerk

Mivel a HCCI sovány keverékeken működik, a csúcshőmérséklet sokkal alacsonyabb, mint az SI- és dízelmotoroknál. Ez az alacsony csúcshőmérséklet csökkenti a NO képződését
x , de ez az üzemanyag hiányos elégetéséhez is vezet, különösen az égéstér falai közelében. Ez viszonylag magas szén-monoxid- és szénhidrogén-kibocsátással jár. Egy oxidáló katalizátor képes eltávolítani a szabályozott anyagokat, mivel a kipufogógáz még oxigénben gazdag.

Különbség a kopogtatástól Edit

A motor kopogása vagy csengése akkor fordul elő, amikor az SI-motorban a láng előtt néhány el nem égett gáz spontán meggyullad. Ez a gáz összenyomódik, ahogy a láng terjed, és az égéstérben a nyomás emelkedik. Az el nem égett reagensek magas nyomása és ennek megfelelő magas hőmérséklete spontán meggyulladását okozhatja. Ez azt okozza, hogy egy lökéshullám áthalad a gázvégi tartományból, és egy expanziós hullám a gázvégi tartományba. A két hullám visszaverődik az égéstér határairól, és kölcsönhatásba lépve nagy amplitúdójú állóhullámokat hoznak létre, így egy primitív termoakusztikus eszközt alkotnak, ahol a rezonanciát a Rijke-csőhöz hasonlóan felerősíti a hullámút során fellépő fokozott hőleadás.

Hasonló gyulladási folyamat megy végbe a HCCI-ben is. Azonban ahelyett, hogy a reaktáns keverék egy része kompresszió hatására meggyulladna a lángfront előtt, a HCCI motorokban a gyulladás a dugattyús összenyomás következtében jön létre, többé-kevésbé egyidejűleg a sűrített töltet nagy részében. A gáz különböző tartományai között kismértékű vagy semmilyen nyomáskülönbség nem lép fel, ami kiküszöböli a lökéshullámokat és a kopogásokat, de a gyors nyomásemelkedés továbbra is fennáll, és kívánatos abból a szempontból, hogy a közel ideális izochor hőadagolással maximális hatékonyságot keresünk.

HCCI motorok szimulációja Szerkesztés

A HCCI motorok égési és hőleadási sebességének szimulálására szolgáló számítási modellek részletes kémiai modelleket igényelnek. [17] [26] Ennek nagyrészt az az oka, hogy a gyújtás érzékenyebb a kémiai kinetikára, mint a turbulencia/permetezési vagy szikrázási folyamatokra, ahogy az az SI- és dízelmotoroknál jellemző. A számítási modellek bebizonyították, hogy mennyire fontos figyelembe venni azt a tényt, hogy a hengeren belüli keverék valójában homogén, különösen a hőmérséklet tekintetében. Ezt a homogenitást a turbulens keveredés és az égéstér falaiból származó hőátadás hajtja végre. A hőmérsékleti rétegződés mértéke határozza meg a hőleadás sebességét és ezáltal a kopogásra való hajlamot. [27] Ez korlátozza annak hasznosságát, hogy a hengeren belüli keveréket egyetlen zónának tekintsük, ami 3D számítási folyadékdinamikai kódok integrálását eredményezi, mint például a Los Alamos National Laboratory KIVA CFD kódja, és gyorsabban megoldja a valószínűségi sűrűségfüggvény modellező kódokat. [28] [29]

2017-ben nem gyártottak kereskedelmi méretekben HCCI-motorokat. Számos autógyártónak volt azonban működő HCCI prototípusa.

  • Az 1994-es Honda EXP-2 motorkerékpár "ARC-égést" használt. Ennek egy kétütemű motorja volt, amely kipufogószelepet használ a HCCI mód utánzására. A Honda eladott egy CRM 250 AR-t.
  • 2007–2009-ben a General Motors bemutatta a HCCI-t egy módosított 2,2 literes Ecotec motorral az Opel Vectrába és a Saturn Aurába. [30] A motor HCCI üzemmódban működik 60 mérföld/óra (97 km/h) alatti sebességnél, vagy cirkálás közben, a gázpedál kinyitásakor hagyományos SI-re vált, és 43 mérföld per angol gallon (6,6 L/100) üzemanyag-fogyasztást biztosít. km 36 mpg-MINKET) és körülbelül 150 gramm/kilométer szén-dioxid-kibocsátás, ami jobb a 37 mérföld/birodalom gallonnál (7,6 l/100 km 31 mpg).-MINKET) és 180 g/km a hagyományos 2,2 literes közvetlen befecskendezéses változatnál. [31] A GM kisebb, 0-ás családba tartozó motorokat is kutat HCCI alkalmazásokhoz. A GM a KIVA-t használta a közvetlen befecskendezéses, rétegtöltésű benzinmotorok, valamint a gyorségésű, homogén töltésű benzinmotorok fejlesztésében. [29] kifejlesztett egy DiesOtto nevű motor prototípusát, szabályozott öngyújtással. F 700 koncepcióautójában mutatták be a 2007-es Frankfurti Autószalonon. [32] kétféle motort fejlesztenek a HCCI működéshez. Az első, a Combined Combustion System vagy CCS, a VW Group 2,0 literes dízelmotorjára épül, de homogén szívótöltetet használ. A maximális haszon eléréséhez szintetikus üzemanyag szükséges. A másodikat benzines kompressziós gyújtásnak vagy GCI-nek hívják, sűrítéskor HCCI-t, gyorsításkor pedig szikragyújtást használ. Mindkét motort Touran prototípusokban mutatták be. [33]
  • 2011 novemberében a Hyundai bejelentette a GDCI (Gasoline Direct Injection Compression Ignition) motor fejlesztését a Delphi Automotive-val közösen. [34] A motor teljesen kiiktatta a gyújtógyertyákat, helyette kompresszort és turbófeltöltőt is használ a hengeren belüli nyomás fenntartására. A motor a tervek szerint a közeljövőben kereskedelmi forgalomba kerül. [35]
  • 2005 októberében a Wall Street Journal arról számolt be, hogy a Honda HCCI-motort fejleszt egy következő generációs hibridautó előállítására tett erőfeszítés részeként. [36]
  • Az Oxy-Gen Combustion, az Egyesült Királyságban működő Clean Technology cég a Michelin és a Shell segítségével egy teljes terhelésű HCCI koncepciómotort gyártott. [37]
  • A Mazda SkyActiv-G Generation 2 kompressziós aránya 18:1, ami lehetővé teszi a HCCI égést. [38] Egy motormodell ún SKYACTIV-X a Mazda 2017 augusztusában jelentette be, mint a jelentős áttörés a motortechnológiában. [39]
  • A Mazda kutatásokat végez a Wankel-motorokkal rendelkező HCCI-vel. [40]

A mai napig kevés prototípus motor fut HCCI módban, de a HCCI kutatás előrelépést eredményezett az üzemanyag- és motorfejlesztés terén. Példák:


Öngyulladási hőmérséklet

A létesítményben lévő veszélyes anyag öngyulladási hőmérsékletét (AIT) ismerni kell az EAC befejezéséhez. Az NFPA 497 AIT értékeket biztosít különféle éghető anyagokhoz.

A propángáz tipikus területi besorolása a következő lenne: I. osztály, 2. osztály, D csoport, 450C AIT. Itt:

  • Az I. osztály a gőz jelenlétét jelzi.
  • A 2. osztály azt jelzi, hogy a gőz csak abnormális körülmények között van jelen.
  • A D csoport azt jelzi, hogy a propán ennek a csoportnak a tagja.
  • 450 C a propán öngyulladási hőmérséklete.

Miután egy területet besoroltak, az NEC nagyon specifikus és szigorú követelményeket ír elő az adott területen telepíthető elektromos berendezésekre és a kapcsolódó vezetékekre vonatkozóan. A követelmények célja annak megakadályozása, hogy elektromos berendezések gyújtóforrásként szolgáljanak egy gyúlékony keverékhez. Ennek megfelelően magának a telepítésnek robbanásbiztosnak kell lennie.

Nyilvánvaló, hogy egy létesítmény EAC-ját ismerni kell, mielőtt bármilyen elektromos berendezést meg lehetne határozni, megtervezni vagy telepíteni. Sok CTG energiaprojektnél korán meg kell határozni és meg kell rendelni a hosszú átfutási idővel rendelkező speciális célú mechanikus berendezéseket (például motorok és műszerek, vezérlőrendszerek és alkatrészek). Ha nem határozzák meg időben a létesítmény és az ilyen berendezések EAC értékét, az nem biztonságos telepítést, átdolgozást, zavart, késéseket és költségtúllépéseket eredményezhet.


Tartalom

Az első utalások a hidrogén üzemanyagcellákra 1838-ban jelentek meg. Egy 1838 októberi keltezésű, de az 1838. decemberi kiadásban megjelent levélben A London and Edinburgh Philosophical Magazine és Journal of Science, walesi fizikus és ügyvéd, Sir William Grove írt első nyers üzemanyagcelláinak fejlesztéséről. Lemez-, réz- és porcelánlemezek kombinációját, valamint réz-szulfát és híg sav oldatát használta. [6] [7] Ugyanennek a kiadványnak 1838 decemberében írt, de 1839 júniusában megjelent levelében Christian Friedrich Schönbein német fizikus az első általa feltalált nyers üzemanyagcelláról beszélt. Levelében a vízben oldott hidrogénből és oxigénből keletkező áramról volt szó. [8] Grove később, 1842-ben, ugyanabban a folyóiratban felvázolta tervét. Az általa készített üzemanyagcella a mai foszforsavas üzemanyagcellához hasonló anyagokat használt. [9] [10]

A britek, akik támogatták a holdraszállást, BBC Archívum. [11]

1932-ben Francis Thomas Bacon angol mérnök sikeresen kifejlesztett egy 5 kW-os álló üzemanyagcellát. [11] Az alkalikus üzemanyagcella (AFC), más néven Bacon üzemanyagcella, az egyik legfejlettebb üzemanyagcellás technológia, amelyet a NASA az 1960-as évek közepe óta alkalmaz. [11] [12]

1955-ben W. Thomas Grubb, a General Electric Company (GE) vegyésze tovább módosította az eredeti tüzelőanyagcella-tervet, és elektrolitként szulfonált polisztirol ioncserélő membránt használt. Három évvel később a GE másik vegyésze, Leonard Niedrach kidolgozott egy módszert a platina membránra történő lerakódására, amely katalizátorként szolgált a szükséges hidrogénoxidációs és oxigénredukciós reakciókhoz. Ez a „Grubb-Niedrach üzemanyagcella” néven vált ismertté. [13] [14] A GE továbbfejlesztette ezt a technológiát a NASA-val és a McDonnell Aircrafttal, ami a Gemini projekt során való használatához vezetett. Ez volt az üzemanyagcella első kereskedelmi alkalmazása. 1959-ben egy Harry Ihrig vezette csapat 15 kW-os üzemanyagcellás traktort épített az Allis-Chalmers számára, amelyet az Egyesült Államokban az állami vásárokon bemutattak. Ez a rendszer elektrolitként kálium-hidroxidot, reagensként pedig sűrített hidrogént és oxigént használt. Később, 1959-ben Bacon és munkatársai bemutattak egy praktikus, öt kilowattos egységet, amely képes egy hegesztőgép meghajtására. Az 1960-as években Pratt & Whitney engedélyezte Bacon amerikai szabadalmait az amerikai űrprogramban való felhasználásra elektromos áram és ivóvíz ellátására (a hidrogén és az oxigén könnyen elérhető az űrhajó tartályaiból). 1991-ben Roger Billings fejlesztette ki az első hidrogén üzemanyagcellás autót. [15] [16]

Az UTC Power volt az első olyan vállalat, amely nagyméretű, helyhez kötött üzemanyagcellás rendszert gyártott és forgalmazott, hogy kapcsolt erőműként használják fel kórházakban, egyetemeken és nagy irodaházakban. [17]

Az üzemanyagcella-ipar és Amerika üzemanyagcella-fejlesztésben betöltött szerepe elismeréseként az Egyesült Államok Szenátusa 2015. október 8-át a Nemzeti Hidrogén- és Üzemanyagcellák Napjának ismerte el, elfogadva az S. RES 217-et. A dátumot a hidrogén atomtömegének (1,008) elismerése miatt választották ki. ). [18]

Az üzemanyagcellák sokféle változatban kaphatók, azonban mindegyik ugyanúgy működik. Három szomszédos szegmensből állnak: az anódból, az elektrolitból és a katódból. A három különböző szegmens határfelületén két kémiai reakció játszódik le. A két reakció eredményeként tüzelőanyag fogy, víz vagy szén-dioxid keletkezik, és elektromos áram keletkezik, amivel elektromos eszközöket lehet táplálni, amit általában terhelésnek neveznek.

Az anódnál egy katalizátor oxidálja az üzemanyagot, általában a hidrogént, és az üzemanyagot pozitív töltésű ionná és negatív töltésű elektronná alakítja. Az elektrolit egy olyan anyag, amelyet kifejezetten úgy terveztek, hogy az ionok áthaladhassanak rajta, de az elektronok nem. A felszabaduló elektronok egy vezetéken haladnak keresztül, és létrehozzák az elektromos áramot. Az ionok az elektroliton keresztül a katódra haladnak. Miután elérik a katódot, az ionok újra egyesülnek az elektronokkal, és a kettő reakcióba lép egy harmadik vegyi anyaggal, általában oxigénnel, víz vagy szén-dioxid képződéséhez.

Az üzemanyagcella tervezési jellemzői a következők:

  • Az elektrolit anyag, amely általában meghatározza a típus üzemanyagcella, és számos anyagból, például kálium-hidroxidból, só-karbonátokból és foszforsavból készülhet. [19]
  • A felhasznált üzemanyag. A leggyakoribb üzemanyag a hidrogén.
  • Az anód katalizátor, általában finom platinapor, az üzemanyagot elektronokra és ionokra bontja.
  • A katódkatalizátor, gyakran nikkel, az ionokat hulladék vegyi anyagokká alakítja, amelyek közül a víz a leggyakoribb hulladékfajta. [20]
  • Gázdiffúziós rétegek, amelyeket úgy terveztek, hogy ellenálljanak az oxidációnak. [20]

Egy tipikus üzemanyagcella 0,6 és 0,7 V közötti feszültséget állít elő teljes névleges terhelés mellett. A feszültség az áram növekedésével csökken, több tényező miatt:

A kívánt energiamennyiség szállítása érdekében az üzemanyagcellákat sorba lehet kapcsolni, hogy nagyobb feszültséget kapjanak, és párhuzamosan, hogy nagyobb áramot biztosítsanak. Az ilyen kialakítást a üzemanyagcellás köteg. A cella felülete is növelhető, hogy nagyobb áramot engedjen az egyes cellákból.

Protoncserélő membrán üzemanyagcellák (PEMFC) Szerk

Az archetipikus hidrogén-oxid protoncserélő membrán üzemanyagcella-tervezésben egy protonvezető polimer membrán (jellemzően nafion) tartalmazza az anód- és katódoldalt elválasztó elektrolitoldatot. [25] [26] Ezt hívták a szilárd polimer elektrolit üzemanyagcella (SPEFC) az 1970-es évek elején, még mielőtt a protoncsere mechanizmusát jól megértették volna. (Vegyük észre, hogy a szinonimák polimer elektrolit membrán és 'protoncsere mechanizmus ugyanazt a mozaikszót eredményezi.)

Az anód oldalán a hidrogén az anódkatalizátorhoz diffundál, ahol később protonokká és elektronokká disszociál. Ezek a protonok gyakran reakcióba lépnek oxidálószerekkel, ami által gyakran multi-könnyített protonmembránokká alakulnak. A protonokat a membránon keresztül a katódhoz vezetik, de az elektronok egy külső áramkörben (tápellátás) kénytelenek utazni, mivel a membrán elektromosan szigetel. A katódkatalizátoron az oxigénmolekulák reakcióba lépnek az elektronokkal (amelyek áthaladtak a külső áramkörön) és a protonokkal, hogy vizet képezzenek.

Ezen a tiszta hidrogénen kívül vannak szénhidrogén üzemanyagok az üzemanyagcellákhoz, beleértve a dízelt, a metanolt (lát: közvetlen metanol üzemanyagcellák és indirekt metanol üzemanyagcellák) és kémiai hidridek. Az ilyen típusú üzemanyagok hulladéktermékei a szén-dioxid és a víz. Ha hidrogént használnak, a CO2 felszabadul, amikor a földgázból származó metánt gőzzel kombinálják, a metán gőzreformálásának nevezett folyamat során, hogy hidrogént állítsanak elő. Ez az üzemanyagcellától eltérő helyen is megtörténhet, ami potenciálisan lehetővé teszi a hidrogén üzemanyagcella beltéri használatát – például villástargoncákban.

A PEMFC különböző összetevői

  1. bipoláris lemezek, , ,
  2. membrán, és
  3. a szükséges hardvereket, például áramgyűjtőket és tömítéseket. [27]

Az üzemanyagcellák különböző részeihez használt anyagok típusonként eltérőek. A bipoláris lemezek különböző típusú anyagokból készülhetnek, például fémből, bevonatos fémből, grafitból, rugalmas grafitból, C-C kompozitból, szén-polimer kompozitokból stb. [28] A membránelektród-szerelvényt (MEA) nevezik a PEMFC szíve, és általában egy protoncserélő membránból készül, amely két katalizátorral bevont szénpapír közé helyezkedik el. A PEMFC katalizátoraként általában platinát és/vagy hasonló típusú nemesfémeket használnak. Az elektrolit lehet polimer membrán.

Protoncserélő membrán üzemanyagcellás tervezési problémák Szerkesztés

Foszforsav üzemanyagcella (PAFC) Szerk

A foszforsav üzemanyagcellákat (PAFC) először G. V. Elmore és H. A. Tanner tervezte és vezette be 1961-ben. Ezekben a cellákban a foszforsavat nem vezető elektrolitként használják, hogy pozitív hidrogénionokat továbbítsanak az anódról a katódra. Ezek a sejtek általában 150-200 Celsius fokos hőmérsékleten működnek. Ez a magas hőmérséklet hő- és energiaveszteséget okoz, ha a hőt nem távolítják el és nem használják fel megfelelően. Ez a hő felhasználható gőz előállítására klímaberendezésekhez vagy bármely más hőenergiát fogyasztó rendszerhez. [37] Ennek a hőnek a kapcsolt energiatermelésben való felhasználása 40-50%-ról körülbelül 80%-ra növelheti a foszforsavas üzemanyagcellák hatékonyságát. [37] A foszforsav, a PAFC-kban használt elektrolit, egy nem vezetőképes folyékony sav, amely az elektronokat egy külső elektromos áramkörön keresztül anódról katódra kényszeríti. Mivel az anód hidrogénion-termelési sebessége kicsi, platinát használnak katalizátorként az ionizációs sebesség növelésére. Ezeknek a celláknak a fő hátránya a savas elektrolit alkalmazása. Ez növeli a foszforsavnak kitett alkatrészek korrózióját vagy oxidációját. [38]

Szilárd sav üzemanyagcella (SAFC) Szerk

A szilárd savas üzemanyagcellákat (SAFC) az jellemzi, hogy elektrolitként szilárd savas anyagot használnak. Alacsony hőmérsékleten a szilárd savak molekulaszerkezete rendezett, mint a legtöbb sóé. Melegebb hőmérsékleten (140 és 150 °C között a CsHSO esetében4), egyes szilárd savak fázisátalakuláson mennek keresztül, és rendkívül rendezetlen „szuperprotonikus” szerkezetekké válnak, ami több nagyságrenddel növeli a vezetőképességet. Az első proof-of-concept SAFC-ket 2000-ben fejlesztették ki cézium-hidrogén-szulfát (CsHSO) felhasználásával.4). [39] A jelenlegi SAFC rendszerek cézium-dihidrogén-foszfátot (CsH2PO4), és több ezer óra élettartamot mutattak be. [40]

Alkáli üzemanyagcellás (AFC) Szerk

A lúgos üzemanyagcellát vagy hidrogén-oxigén üzemanyagcellát Francis Thomas Bacon tervezte és mutatta be először nyilvánosan 1959-ben. Az Apollo űrprogramban elsődleges elektromos energiaforrásként használták. [41] A cella két porózus szénelektródából áll, amelyeket megfelelő katalizátorral, például Pt-val, Ag-vel, CoO-val stb. impregnáltak. A két elektróda közötti teret KOH vagy NaOH koncentrált oldatával töltik ki, amely elektrolitként szolgál. H2 gáz és O2 A porózus szénelektródákon keresztül gázt buborékoltatnak az elektrolitba. Így a teljes reakció magában foglalja a hidrogéngáz és az oxigéngáz kombinációját, hogy víz keletkezzen. A cella folyamatosan működik, amíg a reagenskészlet el nem fogy. Ez a típusú cella hatékonyan működik a 343–413 K hőmérséklet-tartományban, és körülbelül 0,9 V potenciált biztosít. [42] Az AAEMFC az AFC olyan típusa, amely szilárd polimer elektrolitot használ vizes kálium-hidroxid (KOH) helyett, és kiváló. vizes AFC-hez.

Magas hőmérsékletű üzemanyagcellák Szerkesztés

Szilárd oxid üzemanyagcella Szerkesztés

A szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC) szilárd anyagot, leggyakrabban ittrium-stabilizált cirkónium-oxidnak (YSZ) nevezett kerámiát használnak elektrolitként. Mivel a SOFC-k teljes egészében szilárd anyagokból készülnek, nem korlátozódnak más típusú tüzelőanyag-cellák lapos sík konfigurációjára, és gyakran hengerelt csövekként készülnek. Magas üzemi hőmérsékletet igényelnek (800–1000 °C), és különféle tüzelőanyagokkal, köztük földgázzal üzemeltethetők. [5]

A SOFC-k egyedülállóak, mivel ezekben a negatív töltésű oxigénionok a katódról (az üzemanyagcella pozitív oldala) az anódra (az üzemanyagcella negatív oldalára) jutnak el, ahelyett, hogy a pozitív töltésű hidrogénionok az anódról a katódra utaznának, ahogy ez történik. ez a helyzet minden más típusú üzemanyagcella esetében. Az oxigéngázt a katódon keresztül vezetik be, ahol elektronokat nyel el és oxigénionokat hoz létre. Az oxigénionok ezután az elektroliton áthaladva reagálnak az anódon lévő hidrogéngázzal. Az anód reakciója során elektromos áram és víz keletkezik melléktermékként. A szén-dioxid is lehet melléktermék az üzemanyagtól függően, de a SOFC-rendszer szén-dioxid-kibocsátása kisebb, mint a fosszilis tüzelőanyagot tüzelő berendezéseké. [43] A SOFC-rendszer kémiai reakciói a következőképpen fejezhetők ki: [44]

Anód reakció: 2H2 + 2O 2− → 2H2O + 4e − Katód reakció: O2 + 4e − → 2O 2− Általános sejtreakció: 2H2 + O2 → 2H2O

A SOFC rendszerek a tiszta hidrogéngázon kívül más tüzelőanyaggal is működhetnek. Mivel azonban a fent felsorolt ​​reakciókhoz hidrogénre van szükség, a kiválasztott tüzelőanyagnak hidrogénatomokat kell tartalmaznia. Az üzemanyagcella működéséhez az üzemanyagot tiszta hidrogéngázzá kell alakítani. A SOFC-k képesek a könnyű szénhidrogének, például a metán (földgáz), [45] propán és bután belső reformálására. [46] Ezek az üzemanyagcellák a fejlesztés korai szakaszában járnak. [47]

A SOFC rendszerekben kihívások állnak fenn a magas üzemi hőmérsékletük miatt. Az egyik ilyen kihívás a szénpor felhalmozódása az anódon, ami lelassítja a belső reformfolyamatot. A Pennsylvaniai Egyetemen a „szénkokszolás” problémájának kezelésére irányuló kutatások kimutatták, hogy a rézalapú cermet (kerámiából és fémből készült hőálló anyagok) használata csökkentheti a kokszosodást és a teljesítményvesztést. [48] ​​A SOFC-rendszerek másik hátránya a lassú indítási idő, ami miatt a SOFC-k kevésbé hasznosak a mobilalkalmazások számára. E hátrányok ellenére a magas üzemi hőmérséklet előnyt jelent azáltal, hogy nincs szükség nemesfém-katalizátorra, például platinara, ezáltal csökkentve a költségeket. Ezenkívül a SOFC-rendszerekből származó hulladékhő felfogható és újrafelhasználható, így az elméleti összhatékonyság akár 80-85%-ra is növelhető. [5]

A magas üzemi hőmérséklet nagyrészt az YSZ elektrolit fizikai tulajdonságainak köszönhető. A hőmérséklet csökkenésével az YSZ ionvezetőképessége is csökken. Ezért az üzemanyagcella optimális teljesítményének eléréséhez magas üzemi hőmérsékletre van szükség. Weboldaluk szerint a Ceres Power, a brit SOFC üzemanyagcella-gyártó olyan módszert fejlesztett ki, amellyel 500-600 Celsius-fokra csökkenti a SOFC rendszerük üzemi hőmérsékletét. Az általánosan használt YSZ elektrolitot CGO (cérium-gadolínium-oxid) elektrolitra cserélték. Az alacsonyabb üzemi hőmérséklet lehetővé teszi számukra, hogy kerámia helyett rozsdamentes acélt használjanak cellahordozóként, ami csökkenti a költségeket és a rendszer indítási idejét. [49]

Olvadt karbonát üzemanyagcellás (MCFC) Szerk

Az olvadt karbonát üzemanyagcellák (MCFC) magas, 650 °C (1200 °F) üzemi hőmérsékletet igényelnek, hasonlóan az SOFC-ekhez. Az MCFC-k lítium-kálium-karbonát sót használnak elektrolitként, és ez a só magas hőmérsékleten cseppfolyósodik, lehetővé téve a töltés mozgását a cellán belül – jelen esetben a negatív karbonát ionok. [50]

A SOFC-khoz hasonlóan az MCFC-k is képesek a fosszilis tüzelőanyagot hidrogénben gazdag gázzá alakítani az anódban, így nincs szükség külső hidrogén előállítására. A reformfolyamat CO-t hoz létre
2 kibocsátás. Az MCFC-kompatibilis üzemanyagok közé tartozik a földgáz, a biogáz és a szénből előállított gáz. A gázban lévő hidrogén reakcióba lép az elektrolitból származó karbonát ionokkal, így víz, szén-dioxid, elektronok és kis mennyiségű egyéb vegyi anyag keletkezik. Az elektronok egy külső áramkörön haladnak keresztül elektromos áramot hozva létre, és visszatérnek a katódra. Ott a levegő oxigénje és az anódból visszavezetett szén-dioxid reakcióba lép az elektronokkal, és karbonátionokat képeznek, amelyek feltöltik az elektrolitot, és ezzel teljessé válik az áramkör. [50] Az MCFC-rendszerek kémiai reakciói a következőképpen fejezhetők ki: [51]

Anód reakció: CO3 2− + H2 → H2O + CO2 + 2e − Katód reakció: CO2 + ½O2 + 2e − → CO3 2− Általános sejtreakció: H2 + ½O2 → H2O

A SOFC-khoz hasonlóan az MCFC hátrányai közé tartozik a magas üzemi hőmérséklet miatti lassú indítási idő. Emiatt az MCFC-rendszerek nem alkalmasak mobil alkalmazásokhoz, és ezt a technológiát nagy valószínűséggel helyhez kötött üzemanyagcellás célokra fogják használni. Az MCFC technológia fő kihívása a cellák rövid élettartama. A magas hőmérsékletű és karbonát elektrolit az anód és a katód korróziójához vezet. Ezek a tényezők felgyorsítják az MCFC komponensek lebomlását, csökkentve a tartósságot és a cella élettartamát. A kutatók ezt a problémát úgy kezelik, hogy korrózióálló anyagokat kutatnak az alkatrészekhez, valamint az üzemanyagcella-konstrukciókat, amelyek növelhetik a cella élettartamát a teljesítmény csökkenése nélkül. [5]

Az MCFC-k számos előnnyel rendelkeznek a többi üzemanyagcellás technológiával szemben, beleértve a szennyeződésekkel szembeni ellenállásukat. Nem hajlamosak a „szénkokszosodásra”, ami az anódon felhalmozódó szénre utal, ami csökkenti a teljesítményt azáltal, hogy lelassítja a belső üzemanyag-reformálási folyamatot. Ezért a szénben gazdag üzemanyagok, például a szénből készült gázok kompatibilisek a rendszerrel. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma azt állítja, hogy maga a szén akár üzemanyag is lehet a jövőben, feltételezve, hogy a rendszert ellenállóvá lehet tenni az olyan szennyeződésekkel szemben, mint a kén és a szén hidrogénné alakításából származó részecskék. [5] Az MCFC-k hatékonysága is viszonylag magas. Elérhetik az 50%-os üzemanyag-villamos hatásfokot, jóval magasabb, mint egy foszforsavas üzemanyagcellás üzem 37-42%-os hatásfoka. A hatásfok elérheti a 65%-ot is, ha az üzemanyagcellát turbinával párosítják, és 85%-ot, ha a hőt felfogják és kombinált hő- és villamosenergia-rendszerben (CHP) használják fel. [50]

A FuelCell Energy, a Connecticutban működő üzemanyagcella-gyártó MCFC üzemanyagcellákat fejleszt és értékesít. A vállalat azt állítja, hogy MCFC termékeik 300 kW-tól 2,8 MW-ig terjednek, amelyek 47%-os elektromos hatékonyságot érnek el, és a CHP technológiát is felhasználhatják a magasabb általános hatásfok elérése érdekében. Az egyik termék, a DFC-ERG gázturbinával van kombinálva, és a cég szerint 65%-os elektromos hatásfokot ér el. [52]

Elektromos tároló üzemanyagcella Szerkesztés

Az elektromos tároló tüzelőanyag cella egy hagyományos akkumulátor, amely elektromos energiabevitellel tölthető, a hagyományos elektrokémiai hatás felhasználásával. Az akkumulátor azonban hidrogén- (és oxigén-) bemeneteket is tartalmaz az akkumulátor kémiai töltésére. [53]

Üzemanyagcella-típusok összehasonlítása Szerk

Üzemanyagcella neve Elektrolit Minősített teljesítmény (W) Üzemi hőmérséklet (°C) Hatékonyság Állapot Költség (USD/W)
Sejt Rendszer
Fém-hidrid üzemanyagcella Vizes lúgos oldat > −20
(50% Pcsúcs @ 0 °C)
Kereskedelmi / Kutatás
Elektrogalvanikus üzemanyagcella Vizes lúgos oldat < 40 Kereskedelmi / Kutatás
Közvetlen hangyasav üzemanyagcella (DFAFC) Polimer membrán (ionomer) < 50 W < 40 Kereskedelmi / Kutatás
Cink-levegő akkumulátor Vizes lúgos oldat < 40 Tömegtermelés
Mikrobás üzemanyagcella Polimer membrán vagy huminsav < 40 Kutatás
Felfelé áramló mikrobiális üzemanyagcella (UMFC) < 40 Kutatás
Regeneratív üzemanyagcella Polimer membrán (ionomer) < 50 Kereskedelmi / Kutatás
Közvetlen bórhidrid üzemanyagcella Vizes lúgos oldat 70 Kereskedelmi
Lúgos üzemanyagcella Vizes lúgos oldat 10-200 kW < 80 60–70% 62% Kereskedelmi / Kutatás
Közvetlen metanol üzemanyagcella Polimer membrán (ionomer) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–25% [54] Kereskedelmi / Kutatás 125
Református metanol üzemanyagcella Polimer membrán (ionomer) 5 W – 100 kW 250-300 (reformer)
125–200 (PBI)
50–60% 25–40% Kereskedelmi / Kutatás
Közvetlen etanol üzemanyagcella Polimer membrán (ionomer) < 140 mW/cm² > 25
? 90–120
Kutatás
Protoncserélő membrán üzemanyagcella Polimer membrán (ionomer) 1 W – 500 kW 50–100 (Nafion) [55]
120–200 (PBI) [56]
50–70% 30–50% [54] Kereskedelmi / Kutatás 50–100
Redox üzemanyagcella (RFC) Folyékony elektrolitok redox járattal és polimer membránnal (ionomer) 1 kW – 10 MW Kutatás
Foszforsav üzemanyagcella Olvadt foszforsav (H3PO4) < 10 MW 150–200 55% 40% [54]
Co-gen: 90%
Kereskedelmi / Kutatás 4.00–4.50
Szilárd sav üzemanyagcella H + -vezető oxianion só (szilárd sav) 10 W – 1 kW 200–300 55–60% 40–45% Kereskedelmi / Kutatás
Olvadt karbonát üzemanyagcella Olvadt lúgos karbonát 100 MW 600–650 55% 45–55% [54] Kereskedelmi / Kutatás
Cső alakú szilárd oxid üzemanyagcella (TSOFC) O 2− -vezető kerámia-oxid < 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% Kereskedelmi / Kutatás
Protonikus kerámia üzemanyagcella H + -vezető kerámia-oxid 700 Kutatás
Közvetlen szén üzemanyagcellás Több különböző 700–850 80% 70% Kereskedelmi / Kutatás
Planáris szilárd oxid üzemanyagcella O 2− -vezető kerámia-oxid < 100 MW 500–1100 60–65% 55–60% [54] Kereskedelmi / Kutatás
Enzimatikus bioüzemanyag cellák Bármelyik, amely nem denaturálja az enzimet < 40 Kutatás
Magnézium-levegő üzemanyagcella Sós víz -20 és 55 között 90% Kereskedelmi / Kutatás

Fogalmak szószedete a táblázatban:

Elméleti maximális hatékonyság Szerk

Az energiát átalakító rendszer vagy eszköz energiahatékonyságát a rendszer által kibocsátott hasznos energia ("output energia") és a bevitt teljes energiamennyiség ("bemeneti energia") arányával mérik, ill. a hasznos kimeneti energia a teljes bemeneti energia százalékában. Az üzemanyagcellák esetében a hasznos kimeneti energiát a rendszer által termelt elektromos energiában mérik. A bevitt energia az üzemanyagban tárolt energia. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma szerint az üzemanyagcellák általában 40-60%-os energiahatékonyságúak. [61] Ez magasabb, mint néhány más energiatermelő rendszernél. Például egy autó tipikus belső égésű motorja körülbelül 25%-os energiahatékonyságú. [62] A kapcsolt hő és villamos energia (CHP) rendszerekben az üzemanyagcella által termelt hőt felfogják és hasznosítják, így a rendszer hatásfoka akár 85–90%-ra nő. [5]

Egyetlen típusú áramtermelő rendszer elméleti maximális hatásfoka a gyakorlatban soha nem érhető el, és nem veszi figyelembe az energiatermelés egyéb lépéseit, mint például a tüzelőanyag előállítása, szállítása és tárolása, valamint a villamos energia mechanikai energiává való átalakítása. Ez a számítás azonban lehetővé teszi a különböző típusú energiatermelés összehasonlítását. Az üzemanyagcellák elméleti maximális hatásfoka megközelíti a 100%-ot [63], míg a belső égésű motorok elméleti maximális hatásfoka megközelítőleg 58%. [64]

A gyakorlatban Edit

Üzemanyagcellás járművekben a tartály és a kerék közötti hatásfok 45%-nál nagyobb alacsony terhelés mellett [65], és körülbelül 36%-os átlagos értékeket mutat, ha az NEDC-hez (Új európai vezetési ciklushoz) hasonló vezetési ciklust használnak vizsgálati eljárásként. . [66] A dízelmotoros járművek összehasonlítható NEDC-értéke 22%. 2008-ban a Honda kiadott egy bemutató üzemanyagcellás elektromos járművet (a Honda FCX Clarityt), amelynek üzemanyagkötege 60%-os üzemanyag-felhasználási hatékonyságot mutatott be. [67]

Fontos figyelembe venni az üzemanyag-termelésből, szállításból és tárolásból adódó veszteségeket is. A sűrített hidrogénnel üzemelő üzemanyagcellás járművek hatásfoka az erőműtől a kerékig 22%, ha a hidrogént nagynyomású gázként tárolják, és 17%, ha folyékony hidrogénként tárolják. [68] Az üzemanyagcellák nem tudnak energiát tárolni, mint egy akkumulátor, [69] kivéve hidrogénként, de bizonyos alkalmazásokban, például önálló erőművekben, amelyek nem folyamatos forrásokon, például nap- vagy szélenergian alapulnak, elektrolizátorokkal és tárolórendszerekkel kombinálják őket. energiatároló rendszer kialakítására. 2019-től a hidrogén 90%-át olajfinomításra, vegyszer- és műtrágyagyártásra használták, a hidrogén 98%-át pedig metángőzreformálás útján állítják elő, ami szén-dioxidot bocsát ki. [70] Az ilyen erőművek (az ún oda-vissza út hatékonysága), a tiszta hidrogén és a tiszta oxigén felhasználása "35-től 50 százalékig" terjedhet, a gáz sűrűségétől és egyéb körülményektől függően. [71] Az elektrolizáló/üzemanyagcellás rendszer korlátlan mennyiségű hidrogént képes tárolni, ezért alkalmas a hosszú távú tárolásra.

A szilárd-oxid üzemanyagcellák az oxigén és a hidrogén rekombinációjából termelnek hőt. A kerámia akár 800 Celsius-fokon is felmelegszik. Ez a hő felfogható és felhasználható víz melegítésére egy mikro kombinált hő- és villamosenergia-alkalmazásban (m-CHP). A hő felfogása esetén a teljes hatásfok elérheti a 80-90%-ot is, de nem veszik figyelembe a termelési és elosztási veszteségeket. A CHP egységeket ma fejlesztik az európai hazai piac számára.

Jeremy P. Meyers professzor, az Electrochemical Society folyóiratban Felület 2008-ban ezt írta: "Bár az üzemanyagcellák hatékonyak a belsőégésű motorokhoz képest, nem olyan hatékonyak, mint az akkumulátorok, elsősorban az oxigénredukciós reakció (és az oxigénfejlődési reakció) hatástalansága miatt, ha a hidrogén a motorok elektrolízisével jön létre. víz). [T]a legésszerűbb a hálózatról leválasztott működéshez, vagy ha folyamatosan üzemanyagot lehet biztosítani. Olyan alkalmazásokhoz, amelyek gyakori és viszonylag gyors indítást igényelnek . ahol nulla károsanyag-kibocsátás követelmény, például zárt terekben, pl. mint raktárak, és ahol a hidrogént elfogadható reagensnek tekintik, a [PEM üzemanyagcella] egyre vonzóbb választássá válik [ha az elemek cseréje kényelmetlen]”. [72] 2013-ban katonai szervezetek értékelték az üzemanyagcellákat, hogy megállapítsák, képesek-e jelentősen csökkenteni a katonák által szállított akkumulátor tömegét. [73]

Power Edit

A helyhez kötött üzemanyagcellákat kereskedelmi, ipari és lakossági elsődleges és tartalék energiatermelésre használják. Az üzemanyagcellák nagyon hasznosak energiaforrásként távoli helyeken, például űrhajókon, távoli meteorológiai állomásokon, nagy parkokban, kommunikációs központokban, vidéki helyeken, beleértve a kutatóállomásokat, és bizonyos katonai alkalmazásokban. A hidrogénnel működő üzemanyagcellás rendszer lehet kompakt és könnyű, és nincsenek benne jelentősebb mozgó alkatrészek. Mivel az üzemanyagcellákban nincsenek mozgó alkatrészek és nem járnak égéssel, ideális körülmények között akár 99,9999%-os megbízhatóságot is elérhetnek. [74] Ez kevesebb mint egy perc leállásnak felel meg hat éven belül. [74]

Mivel az üzemanyagcellás elektrolizáló rendszerek nem önmagukban tárolják az üzemanyagot, hanem külső tárolóegységekre támaszkodnak, sikeresen alkalmazhatók nagyüzemi energiatárolásban, erre példa a vidéki területek. [75] Számos különböző típusú helyhez kötött üzemanyagcella létezik, így a hatásfok eltérő, de a legtöbb 40% és 60% közötti energiahatékonyságú. [5] Ha azonban az üzemanyagcella hulladékhőjét egy kogenerációs rendszerben egy épület fűtésére használják fel, ez a hatásfok 85%-ra nőhet. [5] Ez lényegesen hatékonyabb, mint a hagyományos szénerőművek, amelyek csak körülbelül egyharmada energiahatékonyak. [76] Ha nagyszabású termelést feltételezünk, az üzemanyagcellák 20–40%-ot takaríthatnak meg az energiaköltségeken, ha kapcsolt energiatermelési rendszerekben használják őket. [77] Az üzemanyagcellák is sokkal tisztábbak, mint a hagyományos energiatermelés. A földgázt hidrogénforrásként használó üzemanyagcellás erőmű kevesebb, mint egy uncia szennyezést okozna (a CO-n kívül
2) minden megtermelt 1000 kW·h után, szemben a hagyományos tüzelőberendezések által termelt 25 font szennyezőanyaggal. [78] Az üzemanyagcellák emellett 97%-kal kevesebb nitrogén-oxid-kibocsátást termelnek, mint a hagyományos széntüzelésű erőművek.

Az egyik ilyen kísérleti program a Washington állambeli Stuart-szigeten működik. Ott a Stuart Island Energy Initiative [79] egy teljes, zárt hurkú rendszert épített ki: a napelemek egy elektrolizátort táplálnak, amely hidrogént termel. A hidrogént egy 1900 literes 500 gallonos (1900 literes) tartályban tárolják 200 font/négyzethüvelyk (1400 kPa) nyomáson, és egy ReliOn üzemanyagcella működteti, hogy teljes elektromos tartalékot biztosítson a hálózaton kívüli lakóhelyhez. Egy másik zárt rendszerhurkot mutattak be 2011 végén a New York állambeli Hempsteadben. [80]

Az üzemanyagcellák felhasználhatók a hulladéklerakókból vagy szennyvíztisztító telepekből származó alacsony minőségű gázzal, hogy áramot termeljenek és csökkentsék a metánkibocsátást. Egy 2,8 MW-os kaliforniai üzemanyagcellás erőmű a legnagyobb a típus közül. [81] Kisméretű (5 kWh alatti) üzemanyagcellákat fejlesztenek lakossági hálózaton kívüli kiépítésre. [82]

Kogeneráció Szerk

A kombinált hő- és villamosenergia- (CHP) tüzelőanyagcellás rendszereket, beleértve a mikro kombinált hő- és villamosenergia-rendszereket (MicroCHP) egyaránt használják villamos energia és hő előállítására otthonok (lásd otthoni tüzelőanyagcella), irodaházak és gyárak számára. A rendszer állandó villamos energiát termel (a felesleges energiát visszaadja a hálózatnak, ha azt nem fogyasztja), ugyanakkor a hulladékhőből meleg levegőt és vizet állít elő. Ennek eredményeként a CHP-rendszerek primerenergia-megtakarításra képesek, mivel hasznosítják a hulladékhőt, amelyet a hőenergia-átalakító rendszerek általában elutasítanak. [83] Az otthoni tüzelőanyag-cellák jellemző teljesítménytartománya 1–3 kWel, 4-8 kWth. [84] [85] Az abszorpciós hűtőberendezésekhez kapcsolódó CHP-rendszerek hulladékhőjüket hűtésre használják fel. [86]

Az üzemanyagcellák hulladékhője nyáron közvetlenül a talajba terelhető, további hűtést biztosítva, míg a téli hulladékhő közvetlenül az épületbe pumpálható. A Minnesotai Egyetem birtokolja az ilyen típusú rendszerek szabadalmi jogait [87] [88]

A kapcsolt energiatermelő rendszerek 85%-os hatásfokot érhetnek el (40-60% elektromos, a többi pedig hőenergia). [5] A foszforsavas üzemanyagcellák (PAFC) alkotják a meglévő CHP-termékek legnagyobb szegmensét világszerte, és közel 90%-os kombinált hatásfokot biztosítanak. [89] [90] Az olvadt karbonátot (MCFC) és a szilárd-oxid üzemanyagcellákat (SOFC) kombinált hő- és villamosenergia-termelésre is használják, és az elektromos energia hatékonysága körülbelül 60%. [91] A kapcsolt energiatermelő rendszerek hátrányai közé tartozik a lassú fel- és lefutás, a magas költségek és a rövid élettartam. [92] [93] Szintén komoly hátrányt jelentett a hazai piacon, ahol a hazai ingatlanokban a hely nagy prémiumban van, hogy a hőtermelés kiegyenlítésére melegvíztárolóval rendelkezzenek. [94]

A Delta-ee tanácsadói 2013-ban azt állították, hogy a globális eladások 64%-ával az üzemanyagcellás mikrokombinált hő- és villamosenergia-eladások 2012-ben megelőzték a hagyományos rendszereket. [73] A japán ENE FARM projekt 2014-ben 100 000 FC mCHP rendszert fog átadni, 34.213 A PEMFC-t és a 2.224 SOFC-t a 2012–2014-es időszakban telepítették, 30 000 darabot LNG-re és 6 000 darabot LPG-re. [95]

Üzemanyagcellás elektromos járművek (FCEV) Szerk

Automobiles Edit

2019 végéig körülbelül 18 000 FCEV-t adtak bérbe vagy adtak el világszerte. [96] Három üzemanyagcellás elektromos jármű került kereskedelmi lízingbe és eladásra: a Honda Clarity, a Toyota Mirai és a Hyundai ix35 FCEV. További bemutató modellek a Honda FCX Clarity és a Mercedes-Benz F-Cell. [97] 2011 júniusáig a demonstrációs FCEV-k több mint 4 800 000 km-t (3 000 000 mérföldet) tettek meg, több mint 27 000 tankolással. [98] Az üzemanyagcellás elektromos járművek átlagos hatótávja 314 mérföld a tankolások között. [99] Kevesebb, mint 5 perc alatt feltankolhatók. [100] Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának üzemanyagcellás technológiai programja kijelenti, hogy 2011-ben az üzemanyagcellák 53–59%-os hatásfokot értek el egynegyed teljesítmény mellett, és 42–53%-os járműhatékonyságot teljes teljesítménnyel, [101] és 2011-ben a tartósságot kb. több mint 120 000 km (75 000 mérföld) kevesebb, mint 10%-os károsodással.[102] Egy 2017-es Well-to-Wheels szimulációs elemzésben, amely „nem foglalkozott a gazdasági és piaci korlátokkal”, a General Motors és partnerei úgy becsülték, hogy egy földgázból előállított, sűrített gáz halmazállapotú hidrogénnel működő üzemanyagcellás elektromos jármű kilométerenként megtett. körülbelül 40%-kal kevesebb energiát használna fel és 45%-kal kevesebb üvegházhatású gázt bocsátana ki, mint egy belsőégésű jármű. [103]

2015-ben a Toyota bemutatta első üzemanyagcellás járművét, a Mirait, 57 000 dolláros áron. [104] A Hyundai lízingszerződés keretében bemutatta a korlátozott szériás Hyundai ix35 FCEV-t. [105] 2016-ban a Honda megkezdte a Honda Clarity Fuel Cell lízingelését. [106] 2020-ban a Toyota bemutatta Mirai márkájának második generációját, javítva az üzemanyag-hatékonyságot és bővítve a hatótávolságot az eredeti Sedan 2014 modellhez képest. [107]

Kritika Szerk

Egyes kommentátorok úgy vélik, hogy a hidrogén üzemanyagcellás autók soha nem lesznek gazdaságilag versenyképesek más technológiákkal [108] [109] [110], vagy évtizedekbe telik, mire nyereségessé válnak. [72] [111] Elon Musk, az akkumulátoros elektromos járműveket gyártó Tesla Motors vezérigazgatója 2015-ben kijelentette, hogy az autókban használt üzemanyagcellák soha nem lesznek kereskedelmileg életképesek a hidrogén előállításának, szállításának és tárolásának elégtelensége, valamint a hidrogén gyúlékonysága miatt. gáz, többek között. [112]

2012-ben a Lux Research, Inc. kiadott egy jelentést, amely kijelentette: "A hidrogéngazdaság álma nincs közelebb". Arra a következtetésre jutott, hogy „a tőkeköltség 2030-ra mindössze 5,9 GW-ra korlátozza az alkalmazást, ami „szinte leküzdhetetlen akadályt jelent az elfogadás előtt, kivéve a szűk körű alkalmazásokat”. Az elemzés arra a következtetésre jutott, hogy 2030-ra a PEM helyhez kötött piaca eléri az 1 milliárd dollárt, míg a járműpiac, beleértve a targoncákat is, összesen eléri a 2 milliárd dollárt. [111] Más elemzések a kiterjedt hidrogén-infrastruktúra hiányát említik az Egyesült Államokban, mint folyamatos kihívást az üzemanyagcellás elektromos járművek forgalmazásával szemben. [65]

2014-ben Joseph Romm, a szerzője A Hype a hidrogénről (2005) azt mondta, hogy az FCV-k még mindig nem tudták túllépni a magas üzemanyagköltséget, az üzemanyag-szállítási infrastruktúra hiányát és a hidrogén előállítása okozta szennyezést. "Több csodára lenne szükség ahhoz, hogy ezeket a problémákat egyidejűleg leküzdjük a következő évtizedekben." [113] Arra a következtetésre jutott, hogy a megújuló energiát nem lehet gazdaságosan felhasználni egy FCV-flotta hidrogén előállítására sem „most, sem a jövőben”. [108] A Greentech Media elemzője 2014-ben hasonló következtetésekre jutott. [114] 2015-ben Clean Technica felsorolta a hidrogénüzemanyagcellás járművek néhány hátrányát. [115] Így történt Autó fojtószelep. [116]

Egy 2019-es videó Igazi Mérnökség megjegyezte, hogy a hidrogénnel üzemelő járművek bevezetése ellenére a hidrogén üzemanyagként való felhasználása az autókban nem segíti a közlekedésből származó szén-dioxid-kibocsátás csökkentését. A még mindig fosszilis tüzelőanyagokból előállított hidrogén 95%-a szén-dioxidot bocsát ki, a hidrogén vízből történő előállítása pedig energiaigényes folyamat. A hidrogén tárolása több energiát igényel vagy folyékony halmazállapotúvá történő lehűtéséhez, vagy nagy nyomású tartályokba helyezéséhez, a hidrogén üzemanyagtöltő állomásokhoz való eljuttatása pedig több energiát igényel, és több szén szabadulhat fel. Az FCV kilométerenkénti mozgatásához szükséges hidrogén hozzávetőlegesen 8-szor annyiba kerül, mint egy BEV azonos távolságra történő mozgatásához szükséges villamos energia. [117] Egy 2020-as értékelés arra a következtetésre jutott, hogy a hidrogénüzemű járművek még mindig csak 38%-os, míg az akkumulátoros elektromos járművek 80%-os. [118]

Buszok Szerk

2011 augusztusában [frissítés] körülbelül 100 üzemanyagcellás busz állt szolgálatban szerte a világon. [119] Ezek többségét az UTC Power, a Toyota, a Ballard, a Hydrogenics és a Proton Motor gyártotta. Az UTC buszok 2011-ig több mint 970 000 km-t (600 000 mérföldet) tettek meg. [120] Az üzemanyagcellás buszok üzemanyag-fogyasztása 39-141%-kal magasabb, mint a dízelbuszok és a földgázüzemű buszok. [103] [121]

2019-ben az NREL több jelenlegi és tervezett üzemanyagcellás buszprojektet értékelt az Egyesült Államokban [122]

Targoncák Edit

Az üzemanyagcellás targonca (más néven üzemanyagcellás targonca) egy üzemanyagcellás ipari targonca, amelyet anyagok emelésére és szállítására használnak. 2013-ban több mint 4000 üzemanyagcellás targoncát használtak anyagmozgatásban az Egyesült Államokban, [123] ebből 500 kapott finanszírozást a DOE-től (2012). [124] [125] Az üzemanyagcellás flottákat különböző cégek üzemeltetik, köztük a Sysco Foods, a FedEx Freight, a GENCO (a Wegmans, a Coca-Cola, a Kimberly Clark és a Whole Foods) és a H-E-B Grocers. [126] Európa 30 üzemanyagcellás targoncát mutatott be a Hylifttel, és a HyLIFT-EUROPE-val 200 darabra bővítette, [127] más projektekkel Franciaországban [128] [129] és Ausztriában. [130] A Pike Research 2011-ben előrejelzése szerint az üzemanyagcellás targoncák 2020-ra a hidrogén-üzemanyag-igény legnagyobb mozgatórugói lesznek. [131]

A legtöbb európai és amerikai vállalat nem használ petróleum-meghajtású targoncát, mivel ezek a járművek beltérben dolgoznak, ahol ellenőrizni kell a károsanyag-kibocsátást, és ehelyett elektromos targoncákat használnak. [132] [133] Az üzemanyagcellás targoncák előnyt jelenthetnek az akkumulátoros targoncákkal szemben, mivel 3 perc alatt tankolhatók fel, és hűtött raktárakban is használhatók, ahol teljesítményüket nem rontja az alacsonyabb hőmérséklet. Az FC egységeket gyakran bedobható csereként tervezik. [134] [135]

Motorkerékpárok és kerékpárok Edit

2005-ben a hidrogénüzemű üzemanyagcellák brit gyártója, az Intelligent Energy (IE) elkészítette az első működő, hidrogénüzemű motorkerékpárt, az ENV-t (Emission Neutral Vehicle). A motorkerékpár elegendő üzemanyagot tartalmaz ahhoz, hogy négy órán át futhasson, és városi környezetben 160 km-t (100 mérföldet) tegyen meg 80 km/h (50 mph) végsebességgel. [136] 2004-ben a Honda kifejlesztett egy üzemanyagcellás motorkerékpárt, amely a Honda FC Stack-et használta. [137] [138]

A hidrogén üzemanyagcellát használó motorkerékpárok [139] és kerékpárok [140] további példái közé tartozik a tajvani APFCT cég robogója [141], amely az olasz Acta SpA [142] üzemanyag-ellátó rendszerét használja, valamint a Suzuki Burgman robogó IE üzemanyagcellával, amely megkapta az EU-t. A teljes jármű típusjóváhagyása 2011-ben. [143] A Suzuki Motor Corp. és az IE közös vállalatot jelentett be a zéró kibocsátású járművek kereskedelmi forgalomba hozatalának felgyorsítására. [144]

Repülőgépek szerkesztése

2003-ban repült a világ első légcsavaros repülőgépe, amelyet teljes egészében üzemanyagcellás hajt. A tüzelőanyag-cella olyan stack kialakítás volt, amely lehetővé tette az üzemanyagcella integrálását a repülőgép aerodinamikai felületeivel. [145] Az üzemanyagcellás hajtású pilóta nélküli légijárművek (UAV) tartalmaznak egy Horizon üzemanyagcellás UAV-t, amely 2007-ben rekord távolságot állított fel egy kis UAV számára. [146] A Boeing kutatói és iparági partnerei Európa-szerte kísérleti repülési teszteket végeztek 2008 februárjában. csak üzemanyagcellával és könnyű akkumulátorokkal hajtott emberes repülőgép. Az üzemanyagcellás bemutatórepülő, ahogy nevezték, protoncserélő membrán (PEM) üzemanyagcellás/lítium-ion akkumulátor hibrid rendszert használt egy elektromos motor meghajtására, amelyet egy hagyományos légcsavarhoz kapcsoltak. [147]

2009-ben a Naval Research Laboratory (NRL) Ion Tiger hidrogénüzemű üzemanyagcellát használt, és 23 óra 17 percig repült. [148] Az üzemanyagcellákat is tesztelik, és úgy gondolják, hogy segédenergiát biztosítanak a repülőgépekben, felváltva a fosszilis tüzelőanyag-generátorokat, amelyeket korábban a motorok beindítására és a fedélzeti áramellátásra használtak, miközben csökkentik a szén-dioxid-kibocsátást. [149] [150] [ sikertelen ellenőrzés ] 2016-ban egy Raptor E1 drón sikeres tesztrepülést hajtott végre olyan üzemanyagcellával, amely könnyebb volt, mint a kicserélt lítium-ion akkumulátor. A repülés 10 percig tartott 80 méteres (260 láb) magasságban, bár az üzemanyagcellában állítólag két órán keresztül volt elegendő üzemanyag. Az üzemanyag körülbelül 100 szilárd, 1 négyzetcentiméteres (0,16 négyzetcentiméteres) pelletben volt, amelyek szabadalmaztatott vegyszerből álltak egy nyomásmentes patronban. A pelletek fizikailag robusztusak, és akár 50 °C (122 °F) hőmérsékleten is működnek. A cella az Arcola Energy-től származott. [151]

A Lockheed Martin Skunk Works Stalker egy elektromos UAV, amelyet szilárd oxid üzemanyagcella hajt. [152]

Hajók Szerk

A világ első üzemanyagcellás hajója, a HYDRA AFC rendszert használt 6,5 kW nettó teljesítménnyel. Amszterdam bevezette az üzemanyagcellás hajókat, amelyek a város csatornáiban szállítják az embereket. [153]

Submarines Edit

A német és olasz haditengerészet 212-es típusú tengeralattjárói üzemanyagcellákat használnak, hogy hetekig víz alatt maradjanak anélkül, hogy fel kellene kelniük a felszínre.

Az U212A egy nem nukleáris tengeralattjáró, amelyet a Howaldtswerke Deutsche Werft német haditengerészeti hajógyár fejlesztett ki. [154] A rendszer kilenc PEM üzemanyagcellából áll, amelyek egyenként 30 kW és 50 kW közötti teljesítményt biztosítanak. A hajó néma, így előnyt jelent más tengeralattjárók észlelésében. [155] Egy haditengerészeti cikk elméleteket fogalmazott meg egy nukleáris-üzemanyagcellás hibrid lehetőségéről, ahol az üzemanyagcellát akkor használják, amikor csendes működésre van szükség, majd az atomreaktorból (és vízből) töltik fel. [156]

Hordozható energiaellátó rendszerek Szerk

A hordozható üzemanyagcellás rendszereket általában 10 kg-nál kisebb tömegűeknek és 5 kW-nál kisebb teljesítményűeknek minősítik. [157] A kisebb tüzelőanyag-cellák potenciális piaca meglehetősen nagy, akár évi 40%-os potenciális növekedési rátával és körülbelül 10 milliárd dolláros piacmérettel. . [158] Ezen a piacon két csoportot azonosítottak. Az első a mikroüzemanyagcellák piaca, az 1-50 W-os tartományban a kisebb elektronikai eszközök teljesítményéhez. A második az 1-5 kW-os generátorcsalád nagyobb léptékű energiatermeléshez (pl. katonai előőrsök, távoli olajmezők).

A mikroüzemanyagcellák elsősorban a telefonok és laptopok piacára való behatolást célozzák. Ez elsősorban az üzemanyagcellák által a lítium-ion akkumulátorral szemben biztosított előnyös energiasűrűségnek tudható be, a teljes rendszerre vonatkozóan. Akkumulátor esetén ez a rendszer magában foglalja a töltőt és magát az akkumulátort is. Az üzemanyagcella esetében ez a rendszer magában foglalja a cellát, a szükséges üzemanyagot és a perifériás tartozékokat. A teljes rendszert figyelembe véve az üzemanyagcellák 530 Wh/kg-ot szolgáltatnak, szemben a lítium-ion akkumulátorok 44 Wh/kg-jával. [158] Bár az üzemanyagcellás rendszerek súlya határozott előnyt jelent, a jelenlegi költségek nem kedveznek nekik. míg az akkumulátoros rendszerek Wh-nként általában 1,20 dollárba kerülnek, az üzemanyagcellás rendszerek Wh-nként körülbelül 5 dollárba kerülnek, ami jelentős hátrányt jelent. [158]

A mobiltelefonok energiaigényének növekedésével az üzemanyagcellák sokkal vonzóbbá válhatnak a nagyobb energiatermeléshez. A fogyasztók gyakran követelik a telefonok és számítógépek hosszabb üzemidejének igényét, így az üzemanyagcellák előretörhetnek a laptopok és mobiltelefonok piacán. Az ár továbbra is csökkenni fog, ahogy az üzemanyagcellák fejlesztése tovább gyorsul. A mikro-üzemanyagcellák fejlesztésének jelenlegi stratégiája a szén nanocsövek használata. Girishkumar et al. hogy a nanocsövek elektródák felületére történő lerakása lényegesen nagyobb felületet tesz lehetővé, növelve az oxigén redukciós sebességét. [159]

A nagyobb léptékű műveletekhez használt üzemanyagcellák szintén sokat ígérnek. Az üzemanyagcellát használó hordozható energiarendszerek használhatók a szabadidős szektorban (azaz lakóautók, kabinok, tengeri), az ipari szektorban (azaz energiaellátás távoli helyeken, beleértve a gáz-/olajkutak, kommunikációs tornyok, biztonsági, időjárási állomások) és a katonai szektor. Az SFC Energy egy német gyártó, amely direkt metanol üzemanyagcellákat gyárt különféle hordozható energiarendszerekhez. [160] Az Ensol Systems Inc. a hordozható energiaellátó rendszerek integrálója, amely az SFC Energy DMFC-t használja. [161] Az üzemanyagcellák fő előnye ezen a piacon a tömegenkénti nagy energiatermelés. Míg az üzemanyagcellák drágák lehetnek, távoli helyeken, ahol megbízható energiát igényelnek, az üzemanyagcellák nagy teljesítményűek. Egy 72 órás kirándulásnál a tömeg összehasonlítása jelentős, az üzemanyagcella mindössze 15 fontot nyom, szemben az azonos energiához szükséges 29 font akkumulátorral. [157]

Egyéb alkalmazások Szerkesztés

  • A bázisállomások vagy cellatelepek áramellátása[162][163] az üzemanyagcellás rendszer egy fajtája, amely magában foglalhat világítást, generátorokat és egyéb berendezéseket, hogy tartalék erőforrásokat biztosítsanak válsághelyzetben, vagy amikor a szokásos rendszerek meghibásodnak. Sokféle helyen találnak felhasználást a lakóotthonoktól a kórházakig, tudományos laboratóriumokig, adatközpontokig [164].
  • távközlési [165] berendezések és modern haditengerészeti hajók.
  • Szünetmentes tápegység (UPS) vészhelyzeti tápellátást biztosít, és a topológiától függően vonalszabályozást is biztosít a csatlakoztatott berendezések számára úgy, hogy külön forrásból táplálja az áramot, ha a hálózati tápellátás nem áll rendelkezésre. A készenléti generátorral ellentétben azonnali védelmet tud nyújtani egy pillanatnyi áramkimaradás ellen. , az üzemanyagcella párosítása ICE-vel vagy akkumulátorral. olyan alkalmazásokhoz, ahol előfordulhat, hogy az AC töltés nem elérhető.
  • Hordozható töltődokkok kis elektronikai eszközökhöz (pl. övcsipesz, amely mobiltelefont vagy PDA-t tölt). , laptopok és táblagépek.
  • Kisméretű fűtőberendezések [166], amelyeket az oxigén elszívásával és az oxigénkiürítés automatikus fenntartásával érnek el egy szállítótartályban, amely például friss halat tartalmaz. [167], ahol a tüzelőanyag-cella által generált feszültség nagysága alapján határozzák meg az üzemanyag (alkohol) koncentrációját a mintában. [168] , elektrokémiai érzékelő.

Üzemanyagtöltő állomások Szerk

A FuelCellsWorks iparági csoport szerint 2019 végén világszerte 330 hidrogén-töltőállomás állt nyitva a nagyközönség előtt. [169] 2020 júniusában 178 nyilvánosan elérhető hidrogénállomás működött Ázsiában. [170] Ebből 114 Japánban volt. [171] Európában legalább 177 állomás működött, és ezeknek körülbelül a fele Németországban. [172] [173] Az Egyesült Államokban 44 nyilvánosan elérhető állomás volt, ebből 42 Kaliforniában. [174]

Egy hidrogén-töltőállomás építése 1-4 millió dollárba kerül. [175]

2012-ben az üzemanyagcella-ipari bevételek meghaladták az 1 milliárd dolláros piaci értéket világszerte, az ázsiai csendes-óceáni országok pedig az üzemanyagcellás rendszerek több mint 3/4-ét szállítják világszerte. [176] 2014 januárjában azonban az iparág egyetlen állami vállalata sem vált nyereségessé. [177] A 2007-es 11 000-hez képest 2010-ben 140 000 üzemanyagcellás köteget szállítottak ki világszerte, és 2011 és 2012 között a világméretű üzemanyagcella-szállítmányok éves növekedési üteme 85%-os volt. [178] Tanaka Kikinzoku 2011-ben kibővítette gyártólétesítményeit. [179] 2010-ben az üzemanyagcella-szállítmányok hozzávetőleg 50%-a helyhez kötött üzemanyagcella volt, szemben a 2009-es körülbelül egyharmadával, és az üzemanyagcella-ipar négy meghatározó gyártója az Egyesült Államok volt. államokban, Németországban, Japánban és Dél-Koreában. [180] A Department of Energy Solid State Energy Conversion Alliance megállapította, hogy 2011 januárjában a helyhez kötött üzemanyagcellák körülbelül 724–775 USD/kilowatton termeltek energiát. [181] 2011-ben a Bloom Energy, egy jelentős üzemanyagcella-szállító azt mondta, hogy üzemanyagcellái 9–11 cent/kilowattórán energiát termelnek, beleértve az üzemanyag, a karbantartás és a hardver árát is. [182] [183]

Iparági csoportok azt jósolják, hogy elegendő platinaforrás áll rendelkezésre a jövőbeni kereslethez, [184] és 2007-ben a Brookhaven National Laboratory kutatása azt javasolta, hogy a platina helyettesíthető arany-palládium bevonattal, amely kevésbé érzékeny a mérgezésre, és ezáltal javítja az üzemanyagcellát. élettartam. [185] Egy másik módszer a platina helyett vasat és ként használna. Ez csökkentené az üzemanyagcella költségét (mivel a normál üzemanyagcellában lévő platina körülbelül 1500 USD-ba kerül, és ugyanennyi vas csak körülbelül 1,50 USD-ba kerül). A koncepciót a John Innes Center és a Milánó-Bicocca Egyetem koalíciója dolgozta ki. [186] A PEDOT katódok immunisak a monooxid-mérgezésre. [187]

2016-ban a Samsung úgy döntött, hogy felhagy az üzemanyagcellás üzleti projektekkel, mivel a piac kilátásai nem jók. [188]


Lánghőmérséklet táblázat a különböző tüzelőanyagokhoz

  • Kémia
    • Fizikai kémia
    • Alapok
    • Kémiai törvények
    • Molekulák
    • Periódusos táblázat
    • Projektek és kísérletek
    • Tudományos módszer
    • Biokémia
    • Orvosi kémia
    • Kémia a mindennapi életben
    • Híres vegyészek
    • Tevékenységek gyerekeknek
    • Rövidítések és mozaikszavak
    • Ph.D., orvosbiológiai tudományok, Tennessee-i Egyetem, Knoxville
    • B.A., fizika és matematika, Hastings College

    Ez a különböző általánosan használt tüzelőanyagok lánghőmérsékleteinek listája. A közönséges gázok adiabatikus lánghőmérséklete a levegő és az oxigén számára biztosított. (Ezeknél az értékeknél a levegő, a gáz és az oxigén kezdeti hőmérséklete 20 °C.) A MAPP gázok, főként metil-acetilén és propadién keveréke más szénhidrogénekkel. A legtöbbet az oxigénben (3100 °C) lévő acetilénből és a levegőben lévő acetilénből (2400 °C), hidrogénből (2045 °C) vagy propánból (1980 °C) érheti el.


    Methods in Methane Metabolism, A rész

    Katharina Schlegel , Volker Müller , Methods in Enzymology , 2011

    1. Bemutatkozás

    A metanogén archeák korlátozott számú C-n nőnek1 szubsztrátok, például metanol, metil-aminok, formiát, és egyesek acetátot is használhatnak (Deppenmeier, 2002 Ferry, 1997 Thauer et al., 2008). Mindezen útvonalak központi eleme a Wood–Ljundahl útvonal (Ljungdahl, 1994 Ragsdale, 2008). A növekedés során a H2 + CO2, CO2 először a metanofuránhoz kötődik, és ezáltal formilcsoporttá redukálódik (12.1. ábra). Ezt az endergonikus reakciót a formil-metanofurán-dehidrogenáz katalizálja, és a membránon áthaladó elektrokémiai iongradiens hajtja (Kaesler és Schönheit, 1989 Winner és Gottschalk, 1989). A formilcsoport átkerül a tetrahidrometanopterinre (H4MPT) és metilcsoporttá redukáljuk. Ezt a metilcsoportot a metil-H viszi át az M kofaktorba (CoM-SH).4MPT: HS-CoM metiltranszferáz. Ez az exergonikus reakció (ΔG0′ = -29 kJ/mol) 1,7 Na + /CH átvitelére szolgál4 a membránon keresztül, és ezáltal primer és elektrogén Na + gradienst hoz létre a membránon keresztül (Becher et al., 1992b Gottschalk és Thauer, 2001 Lienard et al., 1996 Müller et al., 1987). A következő lépésben a metil-CoM nukleofil támadáson megy keresztül a HS-CoB tiolát anionjával (koenzim B, 7-tioheptanoil-o-foszfo- l -treonin), így felszabadul a CH4 és a CoM és CoB diszulfidját, az ún heterodiszulfid. A heterodiszulfid a terminális elektronakceptor a metanogenezisben, és egy membránhoz kötött heterodiszulfid-reduktáz redukálja és hasítja. A reakcióhoz szükséges elektronokat F biztosítja420 (metilált szubsztrátokon történő növekedés során), membránhoz kötött hidrogenáz (a H2 + CO2) vagy ferredoxin (acetáton történő tenyésztés során) és elektrontranszport láncon keresztül jut át. Ebben a reakcióban három-négy H+ transzlokálódik a membránon (Blaut et al., 1987 Deppenmeier et al., 1990 ).

    12.1. ábra. Ionáramok a metanogenezis során H2 + CO2. Felhívjuk figyelmét, hogy ez a modell csak a bemeneti utat írja le M. mazei és M. barkeri. M. acetivorans nem tartalmaz hidrogenázokat. (1) Ech/Eha hidrogenáz (2) Na + /H + antiporter (3) metil-H4MPT koenzim M metiltranszferáz (4) H2: heterodiszulfid-oxidoreduktáz rendszer (5) A1AO ATP-szintáz MF, metanofurán H4MPT, tetrahidrometanopterin CoM-SH, koenzim M CoB-SH, koenzim B Fd, ferredoxin.

    A metilcsoportot tartalmazó szubsztrátokon történő növekedés során a metilcsoportokat specifikus metiltranszferázok a CoM-SH-ba irányítják. A metilcsoport egynegyede CO-vá oxidálódik2 redukáló egyenértékek megszerzése, hogy a másik 75%-ot metánná redukáljuk (Deppenmeier, 2002 van der Meijden et al., 1983 12.2. ábra). Az acetátból történő metanogenezis az acetát acetil-CoA-vá történő aktiválásával kezdődik, amit az acetil-CoA CO-vá történő oxidációja követ.2 és egy koenzimhez kötött metilcsoport, amely CH-vé redukálódik4 az oxidációs reakció során nyert elektronokkal (Ferry, 1997 Terlesky és Ferry, 1988 Thauer, 1990).

    12.2. ábra. Ionáramok a metanolból történő metanogenezis során. Felhívjuk figyelmét, hogy ez a modell csak a bemeneti utat írja le M. mazei és M. barkeri. M. acetivorans nem tartalmaz Ech hidrogenázt, hanem Rnf komplexet. Az Ech/Eha hidrogenáz által termelt hidrogén elektronjai végül a heterodiszulfid reduktázba kerülnek. Még mindig vita tárgya, hogy ez oldható F-en keresztül történik-e420 redukáló hidrogenáz vagy közvetlenül a H2: heterodiszulfid oxidoreduktáz rendszer. (1) Ech/Eha hidrogenáz (2) Na + /H + antiporter (3) metil-H4MPT-koenzim M metiltranszferáz (4) F420: heterodiszulfid-oxidoreduktáz rendszer (5) A1AO ATP-szintáz MF, metanofurán H4MPT, tetrahidrometanopterin CoM-SH, koenzim M CoB-SH, koenzim B Fd, ferredoxin.

    A metanogenezis közös jellemzője az összes eddig vizsgált metanogénben a Na + igény. A Na + nem csak a sejtek növekedéséhez szükséges, hanem a nyugvó sejtek metanogeneziséhez is, ami azt jelzi, hogy a Na + részt vesz a folyamat egyik lépésében ( Müller et al., 1986, 1988 Perski et al., 1981, 1982). Valóban kiderült, hogy a metil-H4Az SPT:HS-CoM-metiltranszferáz egy elsődleges Na + pumpa (Becher et al., 1992a Müller et al., 1987). A Na + motívumtól eltekintve a metil-H4MPT:HS-CoM-metiltranszferáz, a heterodiszulfid-reduktáz rendszer proton hajtómű. Így a metanogének az egyedüli organizmusok, amelyek egyidejűleg generálnak elsődleges protont és nátriumion gradienst. Még mindig vita tárgya, hogy a két ionhajtóerő hogyan kapcsolódik az ATP-szintézishez, de az A1AO Az ATP-szintáz nélkülözhetetlen az ATP-szintézishez (Deppenmeier és Müller, 2008 Müller és Grüber, 2003 Pisa et al., 2007 Saum et al., 2009 ).

    Ebben a fejezetben bemutatjuk, hogyan elemezzük a növekedés és a metanogenezis Na +-függését, hogyan mérjük a Na + transzportot sejtszuszpenziókban, és hogyan mérjük az ATP szintézist, valamint az ATP hidrolízist.


    Elektronok viselkedése

    Szubmolekuláris szinten a reaktánsok és a termékek közötti energiaszint-különbség oka az elektronikus konfigurációkban rejlik. A hidrogénatomoknak egy-egy elektronja van. Kettős molekulákká egyesülnek, így két elektronon osztozhatnak (egy-egy). Ennek az az oka, hogy a legbelső elektronhéj alacsonyabb energiaállapotú (és ezért stabilabb), ha két elektron foglalja el. Az oxigénatomok egyenként nyolc elektront tartalmaznak. Kettős molekulákká egyesülnek négy elektron megosztásával, így a legkülső elektronhéjukat teljesen elfoglalja egyenként nyolc elektron. Azonban az elektronok sokkal stabilabb elrendezése jön létre, ha két hidrogénatom osztozik egy elektronon egy oxigénatommal. Csupán kis mennyiségű energiára van szükség ahhoz, hogy a reaktánsok elektronjait „kiütögessék” pályájukról, hogy újra be tudjanak igazodni az energetikailag stabilabb elrendezésbe, így egy új molekula, a H2O alakul ki.


    Nézd meg a videót: Hidrogén előállítása és égése (Június 2022).


Hozzászólások:

  1. Alano

    Véleményem szerint nem igazad van. Biztos vagyok benne. Beszéljük meg. Írj nekem a PM -ben, beszélünk.

  2. Momuro

    Szép volt, milyen szavakra van szükség..., a figyelemre méltó ötlet

  3. Stedman

    Ebben valami jó ötlet, egyetért veled.

  4. Danos

    Also that we would do without your remarkable phrase

  5. Moogujind

    Straight into the goal



Írj egy üzenetet