Brintmotorer er fortsat en af bilindustriens fremtidige indsatser. Dens drift har givet den en række fordele, som holder den flydende på trods af dens fejl. Til dette formål har Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford og andre mærker investeret kraftigt i denne teknologi. Brint-brugende motorer omfatter forbrændingsmotorer og brændselscellekonverteringsmotorer. Mange mennesker ved det ikke hvordan fungerer en brintmotor og deres respektive fordele og ulemper.
Af denne grund vil vi dedikere denne artikel til at fortælle dig, hvordan en trin-for-trin brintmotor fungerer, hvad dens egenskaber er og dens betydning for motorverdenen.
Hvordan fungerer en brintforbrændingsmotor?
Disse motorer bruger brint som benzin. Det vil sige, at de brænder det i et forbrændingskammer for at skabe en eksplosion (kinetisk energi og varme). Af denne grund, konventionelle benzinmotorer kan tilpasses til at brænde brint ud over LPG eller CNG.
Betjeningen af denne motor ligner meget den af en benzinmotor. Brint bruges som brændstof og ilt som oxidant. Den kemiske reaktion initieres af en gnist, og et tændrør kan producere en gnist. Brint har ingen kulstofatomer, så reaktionen er, at to brintmolekyler kombineres med et iltmolekyle og frigiver energi og vand.
Resultatet af dens kemiske reaktion er simpelthen vanddamp. Imidlertid genererer brintforbrændingsmotorer nogle emissioner under deres drift. For eksempel små mængder NOx fra luften og varme fra forbrændingskammeret eller emissioner fra afbrænding af noget olie gennem stempelringene.
Da brint er en gas, opbevares det i en tank med et tryk på 700 bar. Dette er 350 til 280 gange højere end normalt bildæktryk. (2 til 2,5 bar). Selvom der også er biler, der opbevarer brint i flydende form ved meget lave temperaturer, som vist nedenfor.
Brintforbrændingsmotorer tilbyder nogle interessante fordele i forhold til konventionelle forbrændingsmotorer. For eksempel kan de teoretisk set bruge meget fine blandinger (Lambda tæt på 2). Det vil sige, at de kan bruge meget lidt brændstof for at bruge al den indkommende luft og blive meget effektive.
Eksempel på hvordan en brintforbrændingsmotor fungerer
Et godt eksempel på en brintmotor er BMW 750hl, som kom på markedet i 2000. Selvom det faktisk er en BMW benzinmotor, er den også i stand til at forbrænde brint.
Det har dog flere ulemper: For det første lagrer det brint i flydende form. Dette kræver en meget dyr tank lavet af materialer fra rumfartssektoren for at holde temperaturen under -250ºC. Dette kan kun opnås inden for 12 til 14 dage, i hvilket tidsrum brinten gradvist fordamper og frigives sikkert til atmosfæren. Den anden ulempe er, at man ved at bruge brint mister meget kraft og effektivitet. Den senere BMW Hydrogen 7 fra 2005 løste delvist disse problemer og øgede brinttrykket til 700 bar uden at holde det koldt.
Et andet godt eksempel er Aquarius brintmotoren. En motor til fossilt brændstof udviklet af et israelsk firma egnet til brug af brint. Den første funktionelle version blev introduceret i 2014, og siden er en revideret og forbedret version dukket op. Ifølge dens udviklere kan den fungere uden smøreolie og har et gasudvekslingssystem for at reducere NOx-emissioner.
Derudover er brintforbrændingsmotoren let og har få dele, hvilket gør den billig at producere. Den kan bruges som rækkeviddeforlænger til elektriske køretøjer eller som generator til netværket.
Hvordan fungerer en brintbrændselscellemotor?
Dens fulde navn er en brændselscellekonverteret brintmotor. På trods af ordet "brændstof" forbrænder de ikke brint. De bruger det til at generere elektricitet gennem den omvendte proces af elektrolyse. Det er derfor, de bærer batterier til kemiske reaktioner, som i en brintforbrændingsmotor, hvor brint opbevares i tanke med et tryk på 700 bar.
Det er bare, at i stedet for at føre det til motoren, går det gennem anoden og katoden (som et batteri) til brændselscellen. Når der først er der, passerer brintgas (H2) gennem membranen og nedbryder den til to brintioner. Brint og to frie elektroner. Disse elektroner passerer fra anoden til katoden af batteriet gennem et eksternt kredsløb, hvilket skaber en elektrisk strøm. De producerede hydrogenioner kombineres med ilt fra luften og danner vand.
Af denne grund er en brintbrændselscellemotor nul-emissioner, da det ikke producerer NOx eller de gasser, der produceres ved afbrænding af olie som en forbrændingsmotor. Membranerne, der bruges i disse motorer, er lavet af platin og er dyre. Der er dog arbejde for at løse disse høje omkostninger. For eksempel har de på det tekniske universitet i Berlin udviklet en ferrolegering, der, hvis den sættes i produktion, kan reducere omkostningerne betydeligt.
Ulemper ved brintmotorer
- Katalysatorer brugt i kemiske reaktioner af brintbrændselscellemotorer er lavet af dyre materialer, såsom platin. I hvert fald indtil det bliver erstattet af et billigere alternativ, som det nævnte i TU Berlin.
- For at opnå brint skal det ske ved termokemiske processer af fossile brændstoffer eller ved elektrolyse af vand, hvilket kræver energiforbrug. Den største kritik af brintmotorer, fordi elektriciteten kan lagres direkte i batteriet i et elektrisk køretøj til brug.
- Når først brinten er opnået, skal indføres i en celle eller trykbeholder. Denne proces kræver også yderligere energiforbrug.
- Brintbatterier er dyre at producere og skal være meget holdbare for at kunne modstå de høje tryk, som brint skal opbevares med.
Fordele ved brintmotorer
- Brintbatterier er lettere end batterier til elbiler. Derfor undersøges dets brug i tung transport som et alternativ til batterielektriske lastbiler. For at kunne tilbagelægge store afstande er de meget tunge.
- I dag er opladning af brint hurtigere end opladning af et elbils batteri.
- I modsætning til elektriske batterikøretøjer kræver brintbrændselscellekøretøjer ikke store batterier. Derfor kræver det mindre lithium eller andre materialer, der kan være en mangelvare. Brintforbrændingsmotorer kræver ikke direkte lithiumbatterier eller andre lignende batterier.
- Brændselsceller kan forlænge en bils levetid. I modsætning til batterier, som er dyre at udskifte på grund af deres størrelse og kapacitet. Batterierne forbundet med brintmotorer er mindre og derfor billigere at udskifte.
- Sammenlignet med fossile brændselsmotorer bruger brintbrændselscellemotorer elektriske motorer og er derfor meget støjsvage.
autonomi
Ulempen ved brintmotorer er, at deres tanke eller brændselsceller skal indeholde brint ved meget høje tryk. Dermed, forsyningspunktet skal også overholde det tryk på 700 bar, som det understøtter.
Dette kræver opbygning af en forsyningsinfrastruktur for at kunne tanke denne type køretøjer. Når det er sagt, har det de samme problemer som rene elbiler. Brændstofpåfyldningen er dog meget hurtigere end disse, da det er det samme som et LPG- eller GLC-køretøj.
Biler, der i øjeblikket er udstyret med brintbrændselscellemotorer, har en rækkevidde svarende til benzin. For eksempel, Toyota Mirai annoncerede 650 km med fuldt batteri, Hyundai Nexo 756 km og BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Andre som Hopium Machina har annonceret en rækkevidde på 1.000 km, selvom det tal nu skal bekræftes, når det sker. Under alle omstændigheder er autonomi ikke så vigtig som batteriet, fordi tankning er meget hurtigere. Det, du skal huske på, er antallet af brændstofpoint.
De er i sikkerhed?
Mærker har arbejdet på denne type motorer i årevis for at forbedre deres effektivitet, reducere omkostningerne og selvfølgelig gøre dem lige så sikre som dem, der kører på fossile brændstoffer.
Derudover er de sikkerhedsstandarder, der kræves af Europa, USA og Japan, garantien for sikkerheden for brintdrevne køretøjer. Det er overflødigt at sige, at Toyota siger det Mirai's benzintank er hård nok til at være skudsikker.
Vil vi se en dag, hvor alle biler kører på brint? Tiden vil vise alt. Det er klart, at brands fortsætter med at investere, og det har nogle fordele, der gør det til et rimeligt alternativ til nul-emissionstransport.
Jeg håber, at du med denne information kan lære mere om, hvordan en brintmotor fungerer, dens egenskaber, fordele og ulemper.