پیل سوختی و سوخت‌ هیدروژنی

۲۵ مرداد ۱۳۹۱ | نوشته‌شده به دست عادل شجاعی در آموزش، دانش و فن‌آوری

بحث استفاده از سلول‌های سوختی (پیل سوختی) ، و همچنین استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت، از بحث‌های داغ تحقیقات پژوهشگران حوزه‌ی انرژی است. پیل‎‎‎‎‎‎‎‎‎های سوختی فن‌آوری جدیدی برای تولید انرژی هستند که بدون ایجاد آلودگی‌های زیست محیطی و صوتی، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده، انرژی الکتریکی با بازدهی بالا تولید می‎‎‎‎کنند. پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است. این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از بازده بالایی برخوردار است. در واقع می‌توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز آب استفاده می‌گردد، به عبارت دیگر از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌گردد. هر سلول در پیل‌های سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت تشکیل شده‌است. (+)

یکی از راه‌های مدرن تامین انرژی، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت است. استفاده از این‌گونه انرژی‌ها در اول راه است و سرمایه‌گذاری و تحقیقات زیادی بر روی هیدروژن به عنوان سوختی که توجیه اقتصادی داشته باشد، انجام می‌شود. هیدروژن به دلیل مزایایی که دارد، مورد توجه محققان قرار گرفته است. اکنون می‌خواهیم مروری کلی بر روی هیدروژن به عنوان یک سوخت داشته باشیم و برخی خواص و ویژگی‌های هیدروژن را با دو رقیب قدرتمندش یعنی بنزین و گاز طبیعی مقایسه کنیم.

خودرو هیدروژنی؛ پیل سوختی

محتوای انرژی هیدروژن:

محتوای انرژی به صورت مقدار انرژی در واحد جرم سوخت تعریف می‌شود. در بین سوخت‌های رایج، هیدروژن از محتوای انرژی بالایی برخوردار است. به عنوان مثال، انرژی یک کیلوگرم هیدروژن برابر با ۲٫۴ گیلوگرم گاز طبیعی و ۲٫۷ کیلوگرم بنزین است. البته با توجه به این‌که چگالی هیدروژن کمتر از گاز طبیعی و بنزین است، برای ذخیره سازی هیدروژن نیاز به مخازن بزرگ‌تری است. حجمی از هیدروژن که از نظر محتوای انرژی، با مقداری بنزین معادل باشد، چهار برابر بنزین حج اشغال خواهد کرد!

آلایندگی هیدروژن:

هیدروژن آلاینده نیست و ورود آن به اتمسفر و یا آب و خاک، مشکل خاصی را ایجاد نمی‌کند و ماده خروجی از خودرو‌های هیدروژنی آب است و با محیط زیست سازگار می‌باشد اما استفاده از سوخت‌های فسیلی همچون گاز و بنزین، آلودگی‌های زیست محیطی در پی خواهد داشت. ترکیبات سمی‌ای همچون ترکیبات آروماتیکی و یا سرب و جیوه که ممکن است در بنزین وجود داشته باشد، می‌تواند صدمات شدیدی را به جانداران و محیط زیست بزند. گاز طبیعی هم با این‌که ۶۰% مونو اکسید کربن کمتری نسبت به بنزین دارد، اما آلایندگی آن نسبت به هیدروژن بسیار زیاد است.

رنگ، بو و مزه هیدروژن:

هیدروژن بدون بو و رنگ و مزه است و نشتی آن فقط با حس‌گر‌های خاصی قابل تشخیص  است. گرچه گاز طبیعی هم بدون بو و رنگ و مزه است اما با اضافه کردن ترکیبات مرکاپتان به گاز طبیعی، گاز طبیعی بوی خاصی می‌گیرد تا افراد از نشتی آن آگاه شوند. به دلیل مسموم شدن کاتالیست‌های پیل سوختی توسط ترکیبات گوگردی، نمی‌توان مرکاپتان‌ها را به هیدروژن اضافه نمود.

اشتعال پذیری هیدروژن:

هیدروژن، سوختی با ضریب نفوذ بالا و مولکول‌های کوچک است که به راحتی آتش نمی‌گیرد. هیدورژن در غلظت‌های بالا با مقداری کمی گرما، مشتعل می‌شود اما معمولا در هنگام تصادفات به دلیل این‌که هیدروژن ضریب نفوذ بسیار بالایی نسبت به گاز طبیعی دارد، قبل از آن‌که آتش بگیرد، به سرعت در محیط پخش می‌شود.

محدوده اشتعال پذیری هیدروژن:

هیدروژن محدوده اشتعال پذیری زیادی دارد و می‌تواند در نسبت‌های ۴% تا ۷۵% بسوزد اما با توجه به نسبت محدوده اشتعال پذیری و نسبت حجمی بنزین و گاز طبیعی برای سوختن، خطر هیدروژن بیشتر از گاز طبیعی و کمتر از بنزین می‌باشد.

قابلیت انفجار هیدروژن:

اکنون بحث روش‌های ذخیره‌سازی هیدروژن از مباحث داغ به شمار می‌رود. هیدروژن تا زمانی که به تنهایی در مخزن باشد، انفجار رخ نمی‌دهد. حضور یک اکسید کننده مانند اکسیژن با غلظت حداقل ۱۰% به صورت خالص و یا ۴۱% به صورت هوا، می‌تواند سبب انفجار مخزن هیدروژن شود اما با توجه به این‌که بنزین در غلظت‌های بسیار پایین‌تر قابل انفجار است، خطر انفجار مخزن هیدروژن کمتر از بنزین است و اگر محیط اطراف باز باشد، خطر انفجار هیدروژن به دلیل ضریب نفوذ بالایی که دارد، بسیار کمتر از بنزین است.

شعله هیدروژن:

شعله هیدروژن آبی کم‌رنگ و تقریبا نامرئی است و به صورت متمرکز و عمودی است و همین موضوع سبب ایمنی بیشتر هیدروژن نسبت به بنزین است زیرا در صورتی که مخزن ذخیره هیدروژن سوراخ شود، شعله هیدروژن از مخزن فاصله می‌گیرد و به صورت متمرکز و عمودی و با سرعت زیادی می‌سوزد و در عرض کمتر از دو دقیقه کل ذخیره هیدروژن به اتمام می‌رسد اما با کوچکترین نشتی در مخزن ذخیره بنزین، انفجار رخ خواهد داد و آتش به اطراف سرایت خواهد کرد.

منابع:

هیدروژن به دنبال سکوی برتر؛ مجله انرژی، مینا اعتمادی، مهرداد طاهریان

شرکت ملی گاز ایران

 Hydrogen Energy, Challenges and Prospects Series: RSC Energy Series Rand, David A., Dell, R. M

Hydrogen as an energy carrier: A comparative study between decalin and cyclohexane in thermally coupled membrane reactors in gas-to-liquid technology, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, Issue 12, June 2011, Pages 6970-6984, M.R. Rahimpour, A. Mirvakili, K. Paymooni

Hydrogen generation from natural gas for the fuel cell systems of tomorrow, Journal of Power Sources, Volume 61, Issues 1–۲, July–August 1996, Pages 113-124, Andrew L. Dicks

http://www.lenntech.com/periodic/elements/h.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen

http://www.ehow.com/info_7902925_characteristic-properties-hydrogen-gas.html

شما می‌توانید ما را دنبال کنید از خوراک RSS 2.0 و یا پاسخ بگذارید در صورت تمایل، بازتاب بفرستید.

۱۳ پاسخ



پاسخ بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

شما می‌توانید از این دستورات HTML استفاده کنید: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>