LETTER4U
من را محبوب کنید
در راستای نشر فرهنگ اسلامی هرگونه استفاده ی تجاری از مطالب وبلاگ مورد رضایت ماست...به امید این که مقدمه سازان ظهورش باشیم...اللهم احفظ امامنا سید علی خامنه ای...یا حق...

روزشمار فاطمیه
روزشمار محرم عاشورا
ساعت فلش مذهبی

سوخت هیدروژن

سوخت هیدروژن

هیدروژن

هیدروژن یا آبزا، یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی است که با حرف H و عدد اتمی ۱ نشان داده شده است. هیدروژن عنصری بی رنگ، بی بو، غیر فلز، یک ظرفیتی و گازی دو اتمی، با خاصیت شعله وری فوق العاده بالا است. هیدروژن سبک‌ترین و فراوانترین عنصر در جهان بوده و در آب و نیز در تمامی ترکیبات آلی و موجودات زنده یافت می‌شود. هیدرژن قابلیت واکنش شیمیایی با بیشتر عناصر را دارد. ستارگان در توالی اصلی خود به وفور از هیدروژن در حالت پلاسمایی تشکیل شده اند. این عنصر در تولید آمونیاک، به‌عنوان یک گاز بالا برنده، یک سوخت جایگزین و اخیرا به‌عنوان منبع انرژی مورد استفاده پیلهای سوختی قرار می‌گیرد.

در آزمایشگاه، از واکنش اسیدها بر فلزهایی مثل روی، بدست می‌آید. اما برای تولید در حجم زیاد از الکترولیز آب که معمول‌ترین روش است، استفاده می‌شود. اکنون دانشمندان سعی دارند تا روش‌های جدیدی را بوجود آوردند که از جلبک‌های سبز برای تولید هیدروژن استفاده نمایند.

ادامه ی مقاله را در ادامه ی مطلب بخوانید...


ویژگی‌های درخور نگرش

هیدروژن سبک‌ترین عنصر شیمیایی بوده با معمول‌ترین ایزوتوپ آن که شامل تنها یک پروتون و الکترون است. در شرایط فشار و دمای استاندارد هیدروژن یک گاز،2H، دو اتمی با نقطه جوش27/20° K و نقطه ذوب 02/14° K را می سازد. در صورتیکه این گاز تحت فشار فوق العاده بالایی، مانند شرایطی که در مرکز غولهای گازی وجود دارد، قرار گیرد مولکولها ماهیت خود را از دست داده و هیدروژن بصورت فلزی مایع در می‌آید. اما در فشارهای بسیار پایین مانند شرایطی که در فضا یافت می‌شود، به این علت که هیچ راهی برای ترکیب اتمهایش وجود ندارد، هیدروژن تمایل دارد تا بصورت اتم‌های مجزا در آمده؛ابرهای 2H (هیدروژنی) تشکیل می‌شود که به شکل گیری ستارگان نیز مرتبط است.

این عنصر نقش بسیار حیاتی در تأمین انرژی جهان از طریق واکنش پروتون-پروتون و چرخه کربن-نیتروژن به عهده دارد(اینها فرآیندهای هم جوشی هسته‌ای هستند که با ترکیب دو اتم هیدروژن به یک اتم هلیم، مقدار بسیار عظیمی از انرژی آزاد می‌کنند.)

کاربردها

به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرآیند هابر (Haber Process) صنعت نیاز است، مقدار قابل توجهی در  تولید آمونیاک، هیدروژنه کردن چربی‌ها و روغن‌ها، و تولید متانول. سایر مواردی که نیازمند هیدروژن است عبارت‌اند از:

آلکیل زدایی آبی (هیدرودیلکیلاسیون hydrodealkylation)، گوگردزدایی آبی (هیدرودیسولفوریزاسیون، hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking)

تولید اسید هیدروکلریک،جوشکاری،سوخت‌های موشک و احیاء سنگ معدن فلزی؛

هیدروژن مایع در تحقیقات سرما‌شناسی مانند مطالعات ابررسانایی بکار می‌رود؛

تریتیوم که در رآکتورهای اتمی تولید می‌شود در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هیدروژن چهارده و نیم بار از هوا سبکتر است و سابقا به‌عنوان عامل بالا برنده در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی مورد استفاده قرار می‌گرفت تا وقتیکه فاجعه هیندنبرگ ثابت کرد که استفاده از این گاز برای این منظور بسیار خطرناک است.

دوتریوم به‌عنوان یک کند کننده جهت کاهش حرکت نوترونها در فعالیت‌های هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، و ترکیبات دوتریوم در شیمی و زیست‌شناسی در مطالعات تأثیرات ایزوتوپ، مورد استفاده واقع می‌شوند.

تریتیوم که یک ایزوتوپ طبقه بندی شده در علوم زیست‌شناسی است که به‌عنوان یک منبع تشعشع در رنگهای نورانی کاربرد دارد.

هیدروژن می تواند در موتورهای درون سوز سوخته شود و یا در پیلهای هیدروژنی انرژی بصورت برق تولید کند.تاکنون چند خودرو آزمایشی توسط شرکتهای مختلف اتومبیل سازی از جمله BMW(موتور گرمایی) و Mercedes Benz ،Toyota ،Opel و ... (پیل هیدروژنی) تولید شدند. پیل‌های سوختی هیدروژنی، به‌عنوان راه کاری برای تولید توان بالقوه ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته است.

تاریخچه

هیدروژن (در زبان فرانسه به معنی سازنده آب و واژه یونانی hudôr یعنی "آب" و gennen یعنی "تولید کننده") برای اولین بار در سال ۱۷۷۶ به‌وسیله هنری کاوندیش به‌عنوان یک ماده مستقل شناخته شده، آنتونی لاوازیه نام هیدروژن را برای این عنصر انتخاب کرد.

پیدایش

هیدروژن فراوان ترین عنصر در جهان است بطوریکه ۷۵٪ جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از ۹۰٪ اتم‌های تشکیل دهنده آنها اتم‌های هیدروژن است.

این عنصر به مقدار زیاد و به فور در ستارگان و سیارات غولهای گازی یافت می‌شود. به نسبت فراوانی زیاد آن در جاهای دیگر، هیدروژن در اتمسفر زمین بسیار رقیق است(۱ ppm برحسب حجم). متعارف‌ترین منبع برای این عنصر در زمین آب است که از دو قسمت هیدروژن و یک قسمت اکسیژن (H2O) ساخته شده است.

منابع دیگر عبارتند از بیشترین اشکال مواد آلی که در اندام تمام موجودات زنده شناخته شده وجود دارند، زغال،سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان (CH4)، که یکی از محصولات فرعی فساد ترکیبات آلی است که اهمیت منابع آن رو به افزایش است.

هیدروژن از چندین راه مختلف بدست می‌آید:

 عبور بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن به‌وسیله حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجایی آن در اسیدها توسط فلزات خاص.

هیدروژن تجاری در حجم های زیاد معمولاً به‌وسیله تجزیه گاز طبیعی تولید می‌شود.

ترکیبات

هیدروژن سبک ترین گاز ها با اکثر عناصر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را بوجود می‌آورد. هیدروژن دارای عدد اکترونگاتیویته ۲.۲ است پس هیدروژن هنگامی ترکیبات را می‌سازد که عناصر غیر فلزی تر و عناصر فلزی تری وجود داشته باشند. در این حالت(غیر فلزی) تشکیل دهنده‌ها, هیدریدها نامیده می‌شوند، که هیدروژن یا بصورت یونهای -H یا بصورت حل شده در عنصر دیگر وجود خواهد داشت (مانند هیدرید پالادیوم). در حالت دوم (ترکیب با فلز) هیدروژن تمایل برای تشکیل پیوند کووالانسی دارد، چون یونهای + Hبصورت یک اتم عریان فاقد الکترون در می‌آیند بنابراین تمایل شدیدی به جذب الکترونها به سمت خود دارند. هر دوی اینها تولید اسید می‌کنند. لذا حتی در یک محلول اسیدی می‌توان یونهایی مثل+ O۳H را دید که گویی پروتونها محکم به چیزی چسبیده اند.

هیدروژن با اکسیژن ترکیب شده و تولید آب می‌کند، که در این واکنش مقدار زیادی انرژی را بصورتی آزاد می‌کند که، باعث انفجار در هوا می‌گردد. به تولید اکسید دوتریوم یا O۲D، که معمولاً آب سنگین گفته می‌شود می انجامد. همچنین هیدروژن با کربن یک سری ترکیبات گسترده‌ای را بوجود می‌آورد. بخاطر ارتباط این ترکیبات با چیزهای زنده، این ترکیبات را ترکیبات آلی می‌نامند، و به مطالعه خصوصیات این ترکیبات شیمی آلی گفته می‌شود.

حالتها

در شرایط عادی گاز هیدروژن ترکیبی از دو نوع متمایز مولکول است که با هم از نظر جهت چرخش الکترون‌ها و هسته تفاوت دارند. این دو شکل به نام ارتو- و پارا- هیدروژن معروفند. (این مورد با ایزوتوپ‌ها فرق می‌کند به پاراگراف بعد توجه کنید.) در شرایط استاندارد هیدروژن معمولی ترکیبی از ۲۵٪ شکل پاراو ۷۵٪ شکل ارتو است. شکل ارتو را نمی‌توان بصورت حالت خالص آن تهیه کرد. این دو مدل هیدروژن از نظر انرژی با هم متفاوتند که این مسئله موجب می‌گردد، تا خصوصیات فیزیکی آنها کمی متفاوت باشد. مثلاً نقطه ذوب و جوش پاراهیدروژن تقریباً 0.1K ° پایین تر از ارتوهیدروژن است.

ایزوتوپ ها

پروتیوم , معمولی ترین ایزوتوپ  هیدروژن فاقد نوترون است گرچه دو ایزوتوپ دیگر به نام دوتریوم دارای یک نوترون و تریتیوم رادیو اکتیویته دارای دو نوترون، وجود دارند. دو ایزوتوپ پایدار هیدروژن پروتیوم(1H-) و دیتریوم(2H-,D ) هستند. دیتریوم شامل۰.۰۱۸۴- ۰.۰۰۸۲ ٪ درصد کل هیدروژن است (IUPAC)؛ نسبتهای دیتریوم به پروتیوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام می‌گردد. تریتیوم(T یا 3H-)، یک ایزوتوپ پرتوزا (رادیواکتیو) دارای یک پرتون و دو نوترون است. هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ‌های آن اسمهای مختلفی دارند. به نظر منطقی می رسد.

هشدارها

هیدروژن گازی است با قدرت افروزش بسیار زیاد. این گاز همچنین به شدت با کلر و فلوئور واکنش نشان می‌هد. O۲ D، یا آب سنگین برای بسیاری از گونه‌ها سمی است. اما مقدار قابل توجهی از آن برای کشتن انسان لازم است.

سوخت هیدروژنی                                        

در سالیان اخیر توجه به کار بر روی هیدروژن به عنوان جایگزین سوختهای معمول افزایش یافته است.
موانع علمی این امر که به موانع اقتصادی آن دامن زده است موجب شده که کمتر از آن به عنوان سوخت یاد شود ولی تحقیقات علمی همچنان ادامه دارد در مقایسه با سوختهای رایج ,هیدروژن حجم بالاتری را به دلیل گاز بودن اشغال می کند یکی از راههای از بین بردن این مشکل بکار بردن اتانول به عنوان حامل هیدرژن است .هیدروژن همراه با اتمهای کربن اتانول حمل میشود و سپس از آن آزاد شده و در اختیار سلول سوختی قرار میگیرد .(این مواد در ماشین های اتانول سوز نیز میسر است . )
هیدروژن ,منبع نوید بخشی برای تامین انرژی در سوختهای آینده بشمار می آید ,زیرا میتوان آن را در پیلهای سوختی به کار گرفت .از لحاظ نظری ,پیلهای سوختی بازده تبدیل انرژی بالاتری نسبت به تجهیزات احتراقی کنونی دارند.حتی اگر هیدروژن را به عنوان سوختی احتراقی به کار گیریم, هیچ دی اکسید کربن خروجی مشاهده نخواهیم کرد.به هر حال هیدروژن می باید از دیگر منابع انرژی تولید و جدا وبه گونه ای ایمن استفاده شود.                                                                  
آزمایشات انجام گرفته در ایستگاه فضایی بین المللی می تواند حرکت به سوی اقتصاد مبتنی بر هیدروژن را تسریع کند. تصور کنید برای سوخت گیری خودروتان به سمت جایگاه سوخت رسانی حرکت می کنید، دهانه لوله سوخت رسانی را وارد مخزن سوخت خودرو می کنید، اما سوختی که مصرف می کنید، از نوع سوخت های متداول نیست بلکه هیدروژن است. هیدروژن گازی بی رنگ و بی بو است که از سوختن آن فقط بخار آب حاصل می شود که سریع و بدون هیچ خطری توسط محیط اطراف جذب می شود. یک کیلوگرم از هیدروژن تقریباً سه برابر همین میزان بنزین انرژی آزاد می کند. و این در حالی است که هیدروژن فراوان ترین عنصر طبیعت محسوب می شود! پس جای تعجب نیست که چرا دانشمندان در تلاش اند تا راهی بیابند که بتوان از هیدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده کنند. ال ساکو مدیر مرکز تولید مواد پیشرفته تحت جاذبه ضعیف (CAMMP) در دانشگاه نورسسترون بوستون که زیر نظر ناسا مشغول فعالیت است در این زمینه می گوید: «ده ها شرکت از جمله بزرگ ترین شرکت های سازنده خودرو، موتورهایی را طراحی کرده اند که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کند. این موتورها بسیار شبیه به موتورهای احتراق داخلی هستند که ما امروزه به طور گسترده ای از آنها استفاده می کنیم. سلول های سوختی ( یکی دیگر از منابع ممکن برای تولید نیرو در خودروها ) نیز از هیدروژن استفاده می کنند. برای آنکه استفاده از این فناوری ها در زندگی روزمره ممکن شود، لازم است دانشمندان راهی برای ذخیره سازی و انتقال ایمن هیدروژن بیابند که از لحاظ هزینه به صرفه بوده و با هزینه های استفاده از بنزین قابل مقایسه باشد.» اما انجام این کار چندان هم آسان نیست. گاز هیدروژن سبک و فرار است. مولکول های کوچک H2 از طریق روزنه ها و شکاف ها و همچنین از طریق بست ها و شیرها بسیار سریع نشت می کنند و هنگامی که از این طریق خارج شدند خیلی زود تبخیر می شوند. هیدروژن چهار برابر سریع تر از متان و ده برابر سریع تر از بخارهای بنزین نفوذ می کند. این مسئله در مورد حفظ ایمنی دستگاه از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است چرا که قطرات هیدروژن بسیار سریع تبخیر شده و در محیط پراکنده می شوند و می توانند ایمنی سیستم را به خطر اندازند. این مسئله می تواند برای هر کسی که می خواهد گاز هیدروژن را ذخیره کند، دردسرساز شود. هر چند که هیدروژن مایع بسیار متراکم است و ذخیره سازی آن آسان به نظر می رسد، اما در عین حال ذخیره کردن آن می تواند مشکلاتی را نیز به همراه داشته باشد.

سامانه ‌هایی که برای ذخیره هیدروژن توسعه یافته‌اند، عبارتند از:                                        
هیدروژن فشرده، هیدروژن مایع و پیوند شیمیایی میان هیدروژن و یک ماده ذخیره (برای مثال، هیدرید فلزات).                                            
با این که تاکنون هیچ سامانه حمل و نقل و توزیع مناسبی برای هیدروژن وجود نداشته، اما توانایی تولید این سوخت از مجموعه متنوعی از منابع و خصوصیت پاک سوز بودن آن، هیدروژن را به سوخت جانشین مناسبی تبدیل کرده است.                                                 
هیدروژن یکی از ساده‌ترین و سبک‌ترین سوخت های گازی است که در فشار اتمسفری و دمای جوی حالت گاز دارد. سوخت هیدروژن همان گاز خالص هیدروژن نیست، بلکه مقدار کمی اکسیژن و دیگر مواد را نیز با خود دارد. منابع تولید سوخت هیدروژن شامل گاز طبیعی ، زغال سنگ ، بنزین و الکل متیلیک هستند. فرآیند فتوسنتز در باکتری ها یا جلبک ها و یا شکافتن آب به دو عنصر هیدروژن و اکسیژن به کمک جریان الکتریسیته یا نور مستقیم خورشید از آب، روش های دیگری برای تولید هیدروژن هستند.                                               
در صنعت و آزمایشگاه های شیمی، تولید هیدروژن به طور معمول با استفاده از دو روش شدنی است:

1- الکترولیز

 2- تولید گاز مصنوعی از بازسازی بخار یا اکسیداسیون ناقص.

 در روش الکترولیز با استفاده از انرژی الکتریکی، مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شوند. انرژی الکتریکی را می‌توان از هر منبع تولید الکتریسیته که شامل سوخت های تجدید پذیر نیز می‌شوند، به دست آورد. وزارت نیروی آمریکا به این نتیجه رسیده است که استفاده از روش الکترولیز برای تولید مقادیر زیاد هیدروژن در آینده مناسب نخواهد بود.                            
روش دیگر برای تولید گاز مصنوعی، بازسازی بخار گاز طبیعی است. در این روش، می‌توان از هیدروکربن‌های دیگر نیز به عنوان ذخایر تامین مواد استفاده کرد. برای نمونه، می‌توان زغال سنگ و دیگر مواد آلی (بیوماس) را به حالت گازی درآورد و آن را در فرآیند بازسازی بخار برای تولید هیدروژن به کار برد. از طرفی چون هیدروکربن های فسیلی محدود و رو به اتمام هستند، پس بهتر است دید خود را به سمت استفاده از منابع تجدید شونده معطوف کنیم.
گاز هیدروژن می تواند هم از منابع اولیه تجدید پذیر و هم از منابع تجدید ناپذیر تولید شود. امروزه تولید گاز هیدروژن از منابع تجدید پذیر به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را می پیماید. این در حالی است که تولید گاز هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر به ویژه منابع فسیلی به علت محدود بودن این منابع روز به روز کاهش می یابد.

پردازنده های سوخت چگونه کار می کنند؟

این سلولها از هیدروژن و اکسیژن الکتریسیته تولید و تنها بخار آب ساتع می کنند. مشکل اصلی سلولهای سوختی هیدروژنی ، ذخیره و توزیع هیدروژن است.

هیدروژن، گازی با دانسیته انرژی زیاد نیست؛ یعنی در مقایسه با یک سوخت مایع مثل بنزین یا متانول انرژی کمی در واحد حجم دارد. لذا قرار دادن مقدار کافی هیدروژن در سلول سوختی یک ماشین هیدروژنی به منظور طی مسافتی معقول و منطقی دشوار به نظر می رسد. هیدروژن مایع، دانسیته انرژی خوبی دارد ، اما باید در دمای بسیار پایین و فشار زیاد نگهداری و ذخیره شود که نگهداری و حمل آن را مشکل می سازد.

سوختهای رایج و معمولی مثل گاز طبیعی ، پروپان ، بنزین وسوختهای  غیر رایج مانند متانول و اتانول ، همه در ساختار مولکولیشان هیدروژن دارند. اگر یک فناوری وجود داشت که هیدروژن را از این سوختها جدا و از آن برای سوخت رسانی به سلول سوختی استفاده می کرد می توان گفت مشکل ذخیره و توزیع هیدروژن به کلی برطرف می شد.این فنا وری در حال توسعه پردازنده سوخت یا مبدل (Reformer ) نام دارد. در این قسمت می آموزیم که مبدل گازی (Steam Reformer ) چگونه کار می کند.

هدف پردازنده های سوخت

وظیفه پردازنده های سوخت، تأمین هیدروژن خالص وابسته برای سلول سوختی ، با استفاده از یک سوخت است که آماده و دردسترس بوده و براحتی قابل حمل است. پردازنده های سوخت باید قادر باشند که این عمل را به روش بهینه و کارآمد با کمترین آلودگی انجام دهند؛ در غیر این صورت آنها مزایای استفاده از سلول سوختی را از بین می برند.

برای اتومبیلها، مسأله اصلی ذخیره انرژی است. برای اجتناب از مخزنهای سنگین و فشرده ، یک سوخت مایع به گاز ارجحیت دارد. شرکتهای مختلف روی پردازنده هایی برای سوختهای مایع مانند بنزین و متانول کار می کنند. بهترین سوختی که در کوتاه مدت توصیه می شود متانول است. در حال حاضر این سوخت بسیار شبیه بنزین، ذخیره و توزیع می شود.

برای خانه ها و ایستگاههای تولید برق، سوختهایی چون گاز طبیعی و پروپان مناسب ترند. بسیاری از خانه ها و ایستگاههای تولید برق قبلاً به منابع گاز طبیعی، لوله کشی و متصل شده اند. بعضی خانه ها نیز که لوله کشی نشده اند ، مخزن پروپان دارند.

بنابراین معقول به نظر می رسد که این سوختها را به هیدروژن تبدیل کرده تا در سلولهای سوختی ساکن استفاده شوند.

متانول و گاز طبیعی هردو می توانند در یک مبدل گازی (steam reformer) به هیدروژن تبدیل شوند. فناوری در حال توسعه، پردازنده سوخت یا مبدل (reformer) نام دارد. در این قسمت می آموزیم که مبدل گازی (steam reformer) چگونه کار می کند.

مبدل گازی (steam reformer)

 دو نوع مبدل گازی وجود دارد؛ یکی متانول را  و دیگری گاز طبیعی را بازسازی می کند.

بازسازی متانول

فرمول مولکولی متانول CH3OH است. هدف مبدل این است که حداکثر هیدروژن (H) ممکن را از این مولکول جدا کند طوری که میزان نشر آلاینده هایی چون کربن مونواکسید را به حداقل برساند.این فرآیند با تبخیر متانول مایع و آب آغاز می گردد. گرمایی که در فرآیند بازسازی تولید شده بود، برای این منظور (تبخیر) استفاده می شود. ترکیب بخار آب و متانول (متانول گازی) از یک اتاقک داغ حاوی کاتالیزگر عبور داده می شود.

هنگامی که مولکول های متانول به کاتالیزگر برخورد می کنند به مونواکسید کربن (CO) و گاز هیدروژن (H2) تجزیه می شوند:

CH3OH => CO + 2H2

بخار آب نیز به گاز هیدروژن و اکیسژن تجزیه می شود. این اکسیژن با CO ترکیب می شود تا CO2 بسازد. با این روش، مقدار بسیار کمی CO آزاد می شود چرا که بیشتر آن به CO2  تبدیل شده است:

H2O + CO => CO2 + H2

 بازسازی گاز طبیعی

گاز طبیعی که بیشترین ماده ترکیبی آن متان(CH4) است ، با عملکردی مشابه پردازش می گردد. متان موجود در گاز طبیعی با بخار آب واکنش داده و گازهای مونواکسید کربن وهیدروژن، آزاد می کند:

CH4 + H2O => CO + 3H2

 همانند عملی که در بازسازی متانول انجام شد، بخار آب به گاز هیدروژن و اکسیژن تجزیه می شود. اکسیژن با CO ترکیب شده و CO2 حاصل می گردد:

 H2O + CO => CO2 + H2

 هیچ کدام از این ترکیبها ایده آل نیستند؛ مقداری از متانول یا گاز طبیعی و مونواکسید کربن بدون اینکه واکنش دهند باقی می مانند. این مواد در مجاورت یک کاتالیزگر با مقدار کمی هوا(برای تأمین اکسیژن) سوزانده می شوند. این عمل، بسیاری از ملکولهای CO باقی مانده را به CO2 تبدیل می کند.

بسیاری روشهای دیگر ممکن است استفاده شود تا آلاینده های دیگری همچون گوگرد که ممکن است در گاز اگزوز باشند را پاک کنند.

به دو دلیل حذف کردن مونواکسید کربن از گاز اگزوز اهمیت دارد: اول اینکه اگر CO از سلول سوختی عبور کند ، کیفیت عملکرد و طول عمر سلول سوختی کاهش می یابد . دوم اینکه این گاز یک آلاینده کنترل شده است که بسیاری از ماشینها مجازند تنها مقدار بسیار کمی از آن را تولید کنند.

پردازنده سوخت و سلول سوختی

برای تولید برق، سیستم های مختلفی باید با هم کار کنند تا جریان الکتریکی خروجی را تأمین نمایند. یک سیستم معمولی از یک مصرف کننده الکتریکی (مثل اتاق خودرو یا موتور الکتریکی) یک سلول سوختی و یک پردازنده سوخت تشکیل شده است.

خودرویی که با سلول سوختی کار می کند را بررسی می کنیم. وقتی که شما پدال گاز(هیدروژن) را فشار می دهید، فعل و انفعالاتی به طور همزمان رخ می دهند. 

● کنترل کننده موتور الکتریکی شروع به برقراری جریان در موتور الکتریکی کرده  و موتور الکتریکی نیز گشتاور بیشتری ایجاد می کند.

● در سلول سوختی، هیدروژن بیشتری واکنش می دهد، الکترونهای بیشتری تولید شده، در موتور و کنترل کننده الکتریکی جریان می یابند و نیاز بیشتر به انرژی را برطرف می کنند.

● پردازنده سوخت، متانول بیشتری را درون سیستم - که هیدروژن تولید می کند- پمپ می کند. پمپ دیگری  جریان هیدروژنی را که به سلول سوختی می رود افزایش می دهد.

 فعل و انفعالات متوالی مشابه ای نیز هنگامی که دراتاق، مصرف انرژی بالا می رود رخ می دهد. مثلاً وقتی سیستم تهویه روشن می شود برق خروجی سلول سوختی باید سریعاً افزایش یابد وگرنه چراغها کم نور می شوند تا اینکه سلول سوختی نیاز انرژی را تأمین کرده و افت ولتاژ را جبران نماید.

جنبه های منفی پردازنده های سوخت

پردازنده های سوخت زیانهایی نیز دارند. زیانهایی همچون آلودگی و تأثیر روی بازده کلی.

 آلودگی

اگرچه پردازنده های سوختی می توانند گاز هیدروژن را برای سلول سوختی با آلودگی بسیار کمتر از یک موتور درون سوز تأمین نمایند، مقدار قابل توجهی دی اکسید کربن (CO2) تولید می کنند. اگرچه این گاز یک آلاینده کنترل شده نیست، گمان می رود که در گرم شدن زمین (global warming) نقش داشته باشد.

اگر در یک سلول سوختی هیدروژن خالص استفاده شود ، تنها محصول فرعی آن ، آب (بخار آب) است. CO2  یا هیچ گاز دیگری تولید نمی شود. اما چون خودرو هایی با پردازنده های سوخت از سلول سوختی انرژی می گیرند، مقدار کمی از آلاینده های کنترل شده (مثل مونواکسید کربن) را تولید می کنند، نمی توان نام وسایل نقلیه پاک و غیر آلاینده (ZEVs : zero emission vehicles) را با با توجه به قوانین آلودگی کالیفرنیا بر آنها نهاد. هم اکنون فناوری های اصلی که تحت عنوان ZEV ها شناخته می شوند ، خودرو های الکتریکی با باتری و خودرو های هیدروژنی هستند.

به جای تلاش در جهت بهبود پردازنده های سوخت برای حذف آلاینده های کنترل شده از آنها، برخی شرکتها روی شیوه های جدیدی برای ذخیره یا تولید هیدروژن در وسیله نقلیه کار می کنند. Ovonicروی مخزنی از جنس هیدرید فلزی کار می کند تا هیدروژن را مثل اسفنجی که آب را جذب می کند، جذب کند. با این وسیله نیازی به مخزنهای پرفشار نیست و می توان ظرفیت هیدروژن وسیله نقلیه را افزایش داد.

Powerball Technologies درنظر دارد از گلوله های پلاستیکی کوچکی که مملو ازسدیم هیدرید می باشند استفاده کند. این توپها وقتی باز شده و به داخل آب انداخته شوند هیدروژن تولید می کنند. محصول فرعی این واکنش سدیم هیدرواکسید مایع بوده که یک ماده شیمیایی صنعتی رایج است.

بازده

زیان دیگر پردازنده های سوخت این است که بازده کلی ماشینی که با سلول سوختی کار می کند را کاهش   می دهند. پردازنده سوختی ازگرما وفشار برای کمک به انجام واکنشهایی که هیدروژن آزاد می کنند استفاده می کند.

بسته به نوع سوختی که به کار می رود و بازده سلول سوختی و پردازنده سوخت، بهبود بازده روی خودرو های بنزینی معمولی به طور آشکار کم است.برای این مقایسه بازده های ماشین بنزینی و ماشین با سلول سوختی و ماشین برقی را تحقیق کنید.

تولید هیدروژن از گیاهان و باکتری ها

همچنین گاز هیدروژن در اثر واکنش های تخمیری میکروارگانیسم های زنده، به ویژه باکتری ها و مخمر ها روی بیوماس، تولید می شود. بیوماس از منابع اولیه تجدید پذیر است که از موادی مانند علوفه، ضایعات گیاهان و فضولات حیوانات به دست می آید. در روند تولید گاز هیدروژن، باکتری های بی هوازی با استفاده از پدیده تخمیر، مواد آلی و آب را به گاز هیدروژن تبدیل می کنند. برای تولید هیدروژن به وسیله باکتری ها دو نوع تخمیر وجود دارد: یک نوع تخمیر نوری است که در آن به منبع نور نیاز است و نوع دیگر، تخمیر در تاریکی است که نیازی به نور ندارد. در این واکنش ها منابع کربنی زیادی استفاده می شود که همگی از بیوماس تامین می شوند.                       
در طبیعت میکروارگانیسم های بی هوازی در غیاب اکسیژن و با استفاده از پدیده تخمیر، گاز هیدروژن تولید می کنند، ولی مقدار این گاز از نظر کمی پایین است و از نظر اقتصادی برای مصارف صنعتی و خانگی و ... قابل توجیه نیست؛ از این رو باید با استفاده از روش هایی، بازده تولید گاز هیدروژن را افزایش داد. یکی از روش هایی که می توان بازده تولید گاز هیدروژن را بالا برد، تغییرات ژنتیک در ژنوم این باکتری ها با استفاده از روش های مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی است. روش دیگر، استفاده از ترکیبی از باکتری های هوازی و بی هوازی در کنار هم است. در این روش چون باکتری های بی هوازی در فرآیند تخمیر تولید اسید های آلی می کنند، رفته رفته محیط واکنش اسیدی می شود و PH پایین می آید؛ از این رو تولید هیدروژن کاهش می یابد. ولی هنگامی که باکتری های هوازی در محیط باشند، از اسید های آلی استفاده و آنها از محیط خارج می کنند؛ در نتیجه راندمان تولید گاز هیدروژن بالا می رود.                                              
تحقیق و توسعه                                          
وزارت نیروی آمریکا برای توسعه استفاده از هیدروژن دو برنامه اصلی را دنبال می‌کند که یکی برنامه هیدروژن وزارت نیرو و دیگری شبکه اطلاعاتی تکنولوژی‌های هیدروژن است. هیدروژن، سومین انرژی فراوان بر روی سطح زمین است. همان طور که به صورت ابتدایی در آب و ترکیبات آلی یافت می شود. هیدروژن از هیدروکربن ها یا آب به دست می آید و هنگامی که به عنوان سوخت مصرف می شود، یا برای تولید الکتریسیته از آن استفاده می شود و یا با ترکیب مجدد با اکسیژن تولید آب می کند. از این رو و با توجه به قابلیت بالای تولید انرژی در این سوخت اخیراً تلاش های زیادی برای جانشین کردن این سوخت صورت می گیرد.                                   
مسائل ایمنی                                        
هیدروژن از دیدگاه ایمنی نیز مطمئن و مطلوب است و برای حمل ونقل ، نگهداری و استفاده، خطرناک تر از سوخت های رایج دیگر نیست. به هر صورت مسائل ایمنی همچنان به عنوان یکی از اساسی‌ترین مقوله ها در استفاده از انرژی هیدروژن باقی می ماند.استانداردهای متداول دنیا امنیت استفاده از آن را با سختگیری در طراحی‌ و انجام آزمایش های متعدد فراهم می آورد. همچنین در حوزة نگهداری و حمل آن، استانداردهای بسیاری برای تمام تجهیزات مرتبط تدوین شده است.

اقتصاد هیدروژن                                                 
برای هیدروژن به عنوان یک سوخت، سیستم توزیعی مناسبی وجود ندارد. با این که معمولاً انتقال از طریق خط لوله با صرفه‌ترین راه انتقال سوخت‌های گازی است، اما در حال حاضر سیستم خط لوله مناسبی موجود نیست. انتقال هیدروژن به طور خاص از طریق مخزن و تانکرهای گاز صورت می‌گیرد. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت به یک زیر ساختار برای حمل ونقل و نگهداری و با توجه به مسائل ایمنی و اقتصادی نیاز دارد.                               
دیدگاه ایجاد یک زیر ساختار که هیدروژن را به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار می‌دهد، مفهوم اقتصادی بودن این طرح را پدید آورده که بهترین راه جهت ایجاد تقاضای بیشتر برای تولید و مصرف این انرژی است، زیرا منابع تولید هیدروژن بسیار ارزان و در دسترس هستند. هیدروژن قابلیت بالایی برای تولید انرژی دارد و میزان آلودگی ناشی از مصرف این سوخت در محیط زیست بسیار کم است. این سوخت به عنوان منبعی تجدیدپذیر، پاک و فراوان تر از سوخت فسیلی می تواند کاربرد زیادی برای نیروگاه ها و بخش حمل و نقل داشته باشد.

متاسفانه برخی از ترکیبات ساده هیدروژنی که در آنها هیدروژن با یک عنصر سبک همچون لیتیوم پیوند شیمیایی دارد قادر به برطرف کردن نیازهای خودرو در تولید انرژی نمی‌باشند. چراکه این مواد عموما در دمای بسیار بالا هیدروژن را آزاد می‌کنند و این دما از نقطه نظر مهندسی و استفاده در خودرو عملی نیست. در نتیجه پژوهشگران به ترکیبات چندگانه هیدروژنی روی آورده‌اند که می‌توانند هیدروژن را با چگالی حجمی و وزنی بالاتری در ساختارشان ذخیره کنند و هچنین در دماهای بهتری نسبت به ترکیبات ساده و دوگانه هیدروژنی در یک واکنش شیمیایی هیدروژن را آزاد می‌کنند.

تهیه و تنظیم:محمد رضا عزیزی

منابع:  www.tahghigh.net و www.aftab.ir و www.assaluyeh.com و www.irche.com



برچسب‌ها: مقالات علمی, علمی

جهت دریافت آخرین اخبار ، مطالب وبلاگ و اطلائیه ها و... عضو خبرنامه ی ما شوید. جهت عضویت لطفا ایمیل خود را وارد کنید:

Delivered by FeedBurner

دفتر حفظ و نشر آثار حضرت آیت الله العظمی خامنه ای

مرکز اسلامی هامبورگ

RSS