سوخت هیدروژنی از منابع اولیه انرژی جداستسوخت هیدروژنی
گاز هیدروژن وقتی که درحضور اکسیژن بسوزد، میتواند انرژی بالایی تولید کند. از این انرژی برای حرکت دادن وسایل نقلیه و همچنین فضا پیما و موشک بعنوان نوعی سوخت استفاده میشود.
هیدروژن بعنوان سوختی تجدید پذیر این قابلیت را دارد که از نفت بعنوان جایگزین سوخت های مشتق در نظر گرفته شود. انرژی بسیار بالایی توسط سوخت هیدروژنی آزاد می شود.
تولید هیدروژن، روش های فراوانی دارد، که از آن ها می توان به گاز زیست توده، برق کافت آب و سوختن سوخت های فسیلی اشاره کرد. چندین سال است که سوخت هیدروژن در اتوبوس ها استفاده قرار شده و برای دیگر وسایل نقلیه شهری نیز مناسب است.
پیشینه سوخت هیدروژنی
رابرت بویل در سال ۱۶۷۱ بطور کامل واکنش بین خرده های آهن و اسید رقیق را شرح داد که باعث تولید گاز هیدروژن شد. هنری کاوندیش نخستین کسی که در بین سال های ۱۷۶۶ تا ۱۷۸۱متوجه شد گاز هیدروژن یک ماده مجزاست و آب را به هنگام سوختن، تولید می کند، . هنری کاوندیش برای آن، نام« هوای قابل اشتعال » را انتخاب کرد.
از روش های تولید سوخت هیدروژنی میتوان به الکترولیز و اصلاح بخار متان اشاره کردآنتوان لاوازیه برای این عنصر، نام هیدروژن را انتخاب کرد که برگرفته از ریشه یونانی آن میباشد که شامل واژه های( Hydro) به معنی آب و( Genes) به معنی خالق می باشد. جیمز دیوئز در سال ۱۸۹۸برای نخستین بار ، هیدروژن را به کمک روش« سرمایش بازیابی» و اختراع خود به نام« محفظه خلأ» را به مایع تبدیل کرد. وی همچنین، هیدروژن جامد را در سال بعد تولید کرد. هیدروژن، یک گاز بی رنگ ، بی بو و بدون مزه است که در بین عناصر روی زمین، بيش ترین فراوانی را دارد. سبک ترین عنصر از نظر جرم اتمی، همین عنصر میباشد که اتمش دارای یک پروتون و یک الکترون و فاقد نوترون می باشد. در همه جا این عنصر یافت میشود. هیدروژن در موادی مانند آب، چربی ها، نفت خام، هیدروکربن ها، اسیدهای چرب، کربوکسیلیک اسیدها، شکر، آمونیاک، هیدروژن پراکسید و بسیاری از مواد دیگر وجود دارد.
مشخصات گاز هیدروژن
در نخستین گروه جدول تناوبی، هیدروژن قرار گرفته است که در این جدول به عنوان سبک ترین و نخستین عنصر از این جدول می باشد. وزن هیدروژن در مقایسه با هوا کم تر است و مولکول های دو اتمی هیدروژن که به شکل گاز هستند به طرف لایه های بالایی جو زمین فرار می کنند و در جو زمین گاهی وقت ها به صورت خالص مثل گاز هلیوم دیده می شود. وقتی که گاز هیدروژن آتش بگیرد و با اکسیژن بسوزد در این حالت، آب تولید می شود و در اثر آن، انرژی زیادی آزاد می شود. در این واکنش، احتمال دارد که بهمراه بخار آب، مقادیر کمی نیتروژن اکساید تولید شود. در واقع این ساز و کار پایه ای سوخت هیدروژنی به شمار می رود.
ویژگی های هیدروژن
اصلی ترین ویژگی هایی که سبب متفاوت شدن هیدروژن نسبت به سایر نمونه های مشابه سوختی میشود، شامل موارد زیر میباشد :
- یکی از ویژگی های سوخت هیدروژنی نسبت به سایر نمونه های سوختی شامل مصرف منحصر به فرد ، کاهش اثرات گلخانه ای، انتشار بسیار نا چیز آلاینده ها و برگشت پذیر بودن چرخه تولید آن می باشد .
- سوخت هیدروژنی بخاطر این که از منابع اولیه انرژی جداست، سیستمی دائمی، پایدار، فنا ناپذیر، فراگیر و تجدید پذیر می باشد.
هنگام کار با سوخت هیدروژنی به دلیل توان آتش‌گیری و انفجار باید بسیار هشیار بود- برای کنترل الودگی و آلایندگی در شهرها، استفاده از موتورهای الکتریکی و پیل های سوختی برای موتورهای احتراقی جایگزین بسیار مناسبی به شمار می روند.
- استفاده در خودروهای پیل سوختی، اقتصادی ترین سوخت در مدت زمان زیاد است که از پتانسیل بسیار مناسبی بر خوردار است.
کاربرد هیدروژن
سوخت مورد استفاده در اشپزخانه، بقدری پاک و دوست دار محیط زیست است که به دودکش نیازی ندارد و حتی زایده ی تولید شده از آن( آب) نیز قابلیلت استفاده دارد. یکی از کاربردهای هیدروژن به مقدار زیاد اینست که قابل استفاده در فرآیندهای مختلفی مانند در فرآیند هابر( تولید آمونیاک)، تولید متانول، گوگردزدایی آبی، تولید اسید هیدروکلریک، سوخت های موشکی و همچنین از تریتیوم در ساخت رآکتورهای اتمی می باشد. از مهم ترین کاربردهای هیدروژن در امروزه، پیل های سوختی میباشد که در تولید سوخت ارزان و پاک و بدون آلودگی، راه حلی مهم محسوب میشود. به عبارتی دیگر ماده ی تولید شده از سوخت هیدروژنی، قابلیت تولید گازهای گل خانه ای و باران اسیدی را ندارد. از هیدروژن در زمان آینده علاوه بر سوخت خودرو، بعنوان سوخت هواپیماها، و همچنین برق خانه ها و ادارات استفاده می شود.
تولید سوخت هیدروژنی
به طور طبیعی، هیدروژن خالص در مقادیر زیادی بر روی زمین تولید نمی شود، معمولاً برای تولید در مقیاس صنعتی به یک منبع انرژی اولیه نیاز است. از روش های تولید سوخت هیدروژنی میتوان به الکترولیز و اصلاح بخار متان اشاره کرد ولی روش های دیگری وجود دارد که شامل فرآیندهای خورشیدی و بیولوژیکی می باشد. الکتریسیته در الکترولیز، به منظور جداسازی اتمهای هیدروژن و اکسیژن از درون آب جریان پیدا می کند. کاربرد این روش اینست که از باد، خورشید، زمین گرمایی، آبی، زیست توده، سوخت های فسیلی، هسته ای و بسیاری از منابع انرژی دیگر استفاده میکند. بدست آوردن هیدروژن از این فرآیند برای تولید آن در داخل کشور با هزینه کم، روشی قابل قبول محسوب میشود.
فناوری جدید پیل های سوختی برای تامین سوخت هیدروژنی خودروها
هیدروژن به عنوان یک سوخت، درصورت استفاده در پیل سوختی، فقط آب تولید می کند. با استفاده از منابع مختلف داخلی نظیر انرژی هسته ای، گاز طبیعی، زیست توده و انرژی های تجدید پذیر مانند خورشید و باد می توان هیدروژن تولید کرد. خصوصیات سوخت هیدروژنی سبب شده تا برای حمل و نقل و برنامه های تولید برق به عنوان یک سوخت جذاب باشد. برای ذخیره، جابجایی و انتقال انرژی تولید شده از منابع دیگر می توان از هیدروژن حامل انرژی استفاده کرد. امروزه با چندین روش میتوان سوخت هیدروژنی را تولید کرد.
به منظور تولید برق، گرما و آب باید سلول سوخت هیدروژنی و اکسیژن را باهم ترکیب کردسلول های سوختی هیدروژنی
به منظور تولید برق، گرما و آب باید سلول سوختی هیدروژن و اکسیژن را باهم ترکیب کرد. اکثر اوقات سلول های سوختی را با باطری مقایسه می کنند. به این صورت که هر دو انرژی تولید شده، قابلیت تبدیل واکنش شیمیایی به انرژی الکتریکی را دارد. با این وجود، پیل سوختی تا زمان تامین سوخت( هیدروژن)، برق تولید می کند و هیچگاه شارژش تمام نمیشود.
پیل های سوختی قابلیت استفاده بعنوان یک منبع قدرت الکتریکی برای موتورهای الکتریکی و بعنوان منبع گرما و برق برای ساختمان ها را دارد. سلول های سوختی بهترین عملکرد را با هیدروژن خالص دارند. ولی برای تولید هیدروژن موردنیاز سلول های سوخت میتوان به اصلاح سوخت هایی نظیر گاز طبیعی، متانول یا حتی بنزین پرداخت. بعضی از پیل های سوختی میتوانند بطور مستقیم با متانول سوخت شوند بدون آنکه از اصلاح کننده استفاده کنند.
هیدروژن همچنین در آینده، این قابلیت را دارد که به عنوان یک حامل مهم انرژی به برق بپیوندد. کار یک حامل انرژی اینست که، انرژی را به شکلی قابل استفاده به مصرف کنندگان تحویل می دهد. بعضی از منابع انرژی تجدید پذیر که شامل خورشید و باد هستند، نمی توانند به صورت تمام وقت انرژی تولید کنند. ولی این قابلیت را دارند که به طورمثال ، انرژی الکتریکی و هیدروژن که تا زمان دلخواهی قابلیت ذخیره دارند، را تولید کنند. هیدروژن همچنین قابلیت انتقال( مثل برق) به مکانهای موردنیاز را دارد.
مزایای گاز هیدروژن
گاز هیدروژن، فواید بسیاری دارد و در مواردی مانند جوشکاری فلزات، رنگ کردن الیاف، ساخت وسایل الکترونیکی، پلاستیک، کود و … از این گاز استفاده کرد. در صورت افزایش استفاده از هیدروژن در دنیا، پیشرفت های تکنیکی در تولید این گاز رخ میدهد در حالی که هزینه ی تولید و توزیع آن کم تر میشود.
خصوصیات سوخت هیدروژنی باعث شده تا برای حمل و نقل و ... بعنوان یک سوخت جذاب باشددر نتیجه در لحظه ای که جرقه شمع محفظه احتراق به صورت یکنواخت و ناگهانی مشتعل می شود، انرژی سوخت درزمان این انفجار ناگهانی در لحظه ی بهتری به سیستم مکانیکی خودرو انتقال پیدا می کند.
هوایی که از طریق هیدروژن در کاربراتور بنزین پر شده است در مقایسه با هوای عادی، چند میلی ثانیه زودتر منفجر می شود، در واقع محفظه احتراق در لحظه ی مشتعل شدن جرقه شمع به صورت یکنواخت و ناگهانی سبب می شود که انرژی سوخت درزمان این انفجار ناگهانی در لحظه ی بهتری به سیستم مکانیکی خودرو انتقال پیدا می کند.
به خاطر این که ظرفیت دمایی آب بالاست، این مکمل سبب میشود که موتور خودرو خنک تر نگه داشته شود و در نتیجه با کمک به عملکرد روغن موتور و جلوگیری از کاهش کیفیت روغن موتور می تواند عملکرد و طول عمر موتور را افزایش دهد.
معایب گاز هیدروژن
وقتی که با هیدروژن کار میکنید، باید از آگاهی بسيار بالايي برخوردار باشید که بخاطر توان آتش گیری و انفجار آن میباشد به خصوص وقتی با هوا آمیخته می شود و در صورت خالص یا بدون اکسیژن بودن، شخص خفه میشود. هیدروژن مایع از توان سردکنندگی بسیار بالایی بهره مند است و میتواند آسیب هایی همچون یخ زدگی را مثل دیگر مایعات بسیار سرد بوجود آورند. هیدروژن نیز قابلیت حل شدن در بسیاری از فلزها را دارد و گاهی وقت ها این توانایی موردنیاز ما نیست که از آن ها می توان به امکان نشت به بیرون و پدیدهٔ تردی هیدروژنی که باعث ترک خوردگی یا انفجار در صورت ادامه می شود، اشاره کرد. نشت هیدروژن در هوای آزاد موجب میشود که هیدروژن، شعله ور شود؛ علاوه‌براین وقتی که این سوختن هیدروژن بسیار داغ باشد، تقریبا یک پدیده ی نامرئی محسوب میشود و سبب بروز تبعات و رویدادهای ناگواری میشود.
از طریق دسته ای از پدیده ها می توان داده های مربوط به هیدروژن نظیر داده های مربوط به امنیت آنرا تعیین کرد. ویژگی های فیزیکی و شیمیایی هیدروژن درواقع وابسته به نسبت اورتوهیدروژن و پاراهیدروژن گاز میباشد که معمولاً بعد از گذشت روزها و گاهی هفته ها به یک دمای مشخص می رسد و بخاطر این که داده های امنیت با حالت تعادل در ارتباط است سبب دشوار شدن کار می شود همینطور هندسهٔ ظرف دربردارنده تعیین کننده ی پارامترهای انفجار، مثل فشار و دمای بحرانی میباشد.
نشت سوخت هیدروژنی در هوای آزاد باعث شعله‌ور شدن آن میشودگردآوری: بخش خودرو سرپوش
- 17
- 4
