سوخت هیدروژنی, ایده آل اما نیازمند توسعه بیشتر

كانادا, آمریكا و ژاپن و برخی كشورهای دیگر در حال توسعه استراتژی ها و برنامه هایی برای سرعت بخشیدن به معرفی سلولهای سوختی هیدروژنی می باشند میلیاردها دلار به تحقیق, توسعه و گسترش سلولهای سوختی و هیدروژنی اختصاص داده شده است

گاز طبیعی سوختی ایده‌آل برای خودروها محسوب می‌شود اما هنوز هم بعضی از كشورها با یورش همه جانبه به اقتصاد هیدروژنی، از این منبع انرژی غافل می‌شوند. البته مشكل اینجاست كه شالوده و زیربنای تكنولوژی هیدروژنی و تولید موتورهای هیدروژنی بخوبی توسعه نیافته است و سلولهای سوختی، كه هیدروژن و اكسیژن را به نیروی الكتریسیته تبدیل می‌كنند، از بازار و تولید انبوه سالها فاصله دارند.

كانادا، آمریكا و ژاپن و برخی كشورهای دیگر در حال توسعه استراتژی‌ها و برنامه‌هایی برای سرعت بخشیدن به معرفی سلولهای سوختی هیدروژنی می‌باشند. میلیاردها دلار به تحقیق، توسعه و گسترش سلولهای سوختی و هیدروژنی اختصاص داده شده است. در این مقاله بطور خلاصه، از جنبه‌‌های مختلف به موضوع سوخت هیدروژنی می‌پردازیم:

●هیدروژن چیست؟

گاز هیدروژن (H۲) برای استفاده در موتورهای احتراقی و وسایل نقلیه الكتریكی باطری دار مورد تحقیق و بررسی قرار می‌گیرد. هیدروژن در دما و فشار طبیعی، یك گاز است و بدین علت، انتقال و ذخیره آن از سوخت های مایع‌تر دشوارتر است. سیستم‌هایی كه برای ذخیره هیدروژن توسعه یافته‌اند، عبارتند از هیدروژن فشرده، هیدروژن مایع و پیوند شیمیایی بین هیدروژن و یك ماده ذخیره (برای مثال، هیدرید فلزات).

هیدروژن سومین انرژی فراوان بر روی سطح زمین است. همانطور كه بصورت ابتدایی در آب و تركیبات آلی یافت می‌شود، هیدروژن عموماً از هیدروكربنها یا آب بدست می‌آید و هنگامی كه بعنوان سوخت مصرف می شود یا جهت تولید الكتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد ، با تركیب مجدد با اكسیژن تولید آب می كند.

با این كه تاكنون هیچ سیستم حمل و نقل و توزیع مناسبی برای هیدروژن وجود ندارد، اما توانایی تولید این سوخت از مجموعه متنوعی از منابع و خصوصیت پاك سوز بودن آن، هیدروژن را به سوخت جایگزین مناسبی تبدیل كرده است.

▪ویژگی‌های شیمیایی: ساده‌ترین و سبك‌ترین سوخت گاز، هیدروژن (H۲) است. هیدروژن در فشار اتمسفری و دمای جوی حالت گاز دارد. سوخت هیدروژن همان گاز خالص هیدروژن نیست بلكه مقدار كمی اكسیژن و دیگر مواد را نیز با خود داراست.

●هیدروژن چگونه ساخته می‌شود؟

تولید هیدروژن معمولاً با استفاده از دو روش امكان پذیر است؛ ۱- الكترولیز ۲- تولید گاز مصنوعی از بازسازی بخار یا اكسیداسیون ناقص.

در روش الكترولیز با استفاده از انرژی الكتریكی مولكول‌های آب به هیدروژن و اكسیژن تجزیه می‌شوند. انرژی الكتریكی را می‌توان از هر منبع تولید الكتریسیته كه شامل سوختهای قابل تجدید نیز می‌شوند به دست آورد. وزارت نیروی آمریكا به این نتیجه رسیده است كه استفاده از روش الكترولیز برای تولید مقادیر زیاد هیدروژن در آینده مناسب نخواهد بود.

بهترین روش برای تولید گاز مصنوعی، بازسازی بخار گاز طبیعی است. در این روش، می‌توان از هیدروكربن‌های دیگر نیز بعنوان ذخایر تامین مواد استفاده كرد. برای مثال، می‌توان زغال سنگ و دیگر مواد آلی (بیوماس) را به حالت گازی درآورد و آن را طی فرآیند بازسازی بخار برای تولید هیدروژن بكار برد.

برای هیدروژن به عنوان یك سوخت، سیستم توزیعی وجود ندارد. با این كه 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 تانكرهای گاز صورت می‌گیرد. باید اذعان داشت كه استفاده از هیدروژن بعنوان سوخت نیاز به یك زیر ساختار برای حمل ونقل و نگهداری با توجه به مسائل ایمنی و اقتصادی دارد .دامنه كاربرد هیدروژن بعنوان سوخت و انرژی در برگیرنده راه اندازی موتورها ، توربین ها و یا سلولهای سوختی است.

▪پیل سوختی با الکترولیت پلیمری(PEFC)

پیل‌های سوختی وسایل الكتروشیمیایی هستند كه انرژی شیمیایی را مستقیماً به الكتریسیته و گرما تبدیل می‌كنند. در پیل سوختی پلیمری، از یك غشای پلیمری نازك به عنوان الكترولیت استفاده می‌شود. غشای پلیمری دارای رسانایی یونی است. الكترولیت جامد نسبت به الكترولیت‌های مایع دارای دانسیته انرژی بالاتری است، همچنین میزان خوردگی در این نوع الكترولیت كمتر است. این نوع پیل سوختی در محدوده دمایی كه آب بصورت مایع است كار می‌كند (زیر ۱۰۰درجه سانتیگراد).

مهمترین مشكل پیل‌های سوختی قیمت بالای آنها می‌باشد. پیل‌های سوختی مزایایی دارند كه كم و بیش برای همه انواع آن صادق است. این مزایا عبارتند از:

• بازدهی بالا: پیل‌های سوختی نسبت به موتورهای احتراق دارای بازدهی بالاتری می‌باشند.

• سادگی سیستم: ساختار پیل سوختی بسیار ساده است.

• آلایندگی کم: تنها ماده حاصل از واكنش پیل، آب است.

• آلودگی صوتی كم: پیل‌های سوختی بسیار آرام كار می‌كنند كه برای سیستم‌های قابل حمل از اهمیت زیادی برخوردار است.

• طول عمر بسیار بالا.

• عدم وجود قطعات و قسمتهای متحرک در سیستم.

استفاده از پیل‌های سوختی در سیستم‌های تركیب‌كننده نیرو و گرما (در اندازه‌های كوچك و بزرگ) میسر است. همچنین از آنها می‌توان در وسایط نقلیه، كامپیوترهای قابل حمل، گوشی‌های تلفن همراه و … استفاده كرد.

در حال حاضر بزرگترین صنعت فعال در زمینه پیل سوختی پلیمری، صنعت خودروسازی می‌باشد. با توجه به كاهش میزان آلودگی در استفاده از سوخت هیدروژن به جای سوخت‌های فسیلی، استفاده از این پیل در وسایط نقلیه، بخصوص وسایط نقلیهٔ عمومی نظیر اتوبوس‌ها،‌ ترن‌ها و … ارجحیت یافته است. با استفاده از این تكنولوژی، آلاینده‌هایی نظیر اكسید نیتروژن و یا گوگرد وجود نخواهد داشت. در واقع تنها عامل آلوده‌كننده در این تكنولوژی، دی‌اكسیدكربن است كه بصورت محصول جانبی در فرآیند تولید هیدروژن از سوخت‌های هیدروكربنی حاصل می‌شود. می‌توان از پیل سوختی پلیمری برای تامین الكتریسیته و گرما در آپارتمان‌ها وخانه‌های شخصی نیز استفاده كرد. گوشی‌های تلفن همراه می‌تواند از سایر زمینه‌های کاربرد این پیل باشد.

در پیل سوختی پلیمری از هیدروژن یا گاز غنی از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌شود. اكسیژن خالص یا هوا، وابسته به نوع كاربرد پیل، به عنوان اكسید كننده مورد استفاده قرار می‌گیرد. مولكول‌های هیدروژن در آند (قطب مثبت) به پروتون و الكترون تبدیل شده و پروتون‌ها از طریق الكترولیت به كاتد (قطب منفی) منتقل می‌شوند. این در حالی است كه الكترون‌ها از طریق یك جریان خارجی به كاتد منتقل می‌شوند. در كاتد اكسیژن، پروتون و الكترون‌ها با هم تركیب شده، آب و حرارت تولید می‌شود. آند و كاتد هر دو دارای كاتالیست‌هایی (از جنس پلاتینیم) هستند كه فرآیندهای الكتروشیمیایی را تسریع می‌كنند. انرژی الكتریكی و حرارتی از طریق واكنش‌ كاتد حاصل می‌شود. انرژی گیبس واكنش بصورت انرژی الكتریكی ظاهر می‌شود و آنتالپی واكنش بصورت حرارت آزاد می‌گردد. در عمل، مقداری از انرژی گیبس نیز به حرارت تبدیل می‌شود.

یك پیل سوختی واحد، ولتاژ محدودی تولید می‌كند (كمتر از یك ولت). بنابراین برای دستیابی به ولتاژ مورد نیاز برای كاربردهای عملی، چند پیل واحد را بصورت سری به هم متصل می‌كنند تا یك مجموعه پیل سوختی بدست آید.

یكی از اجزای مهم هر پیل سوختی، الكترولیت آن می‌باشد كه در مجاورت الكترودها و دیگر اجزای پیل، مورد استفاده قرار می‌گیرد. الكترولیت مورد استفاده در PEFC، از جنس پلیمر می‌باشد كه این پلیمر همراه با رطوبتی كه در خلل و فرج پلیمر وجود دارد، وظیفه انتقال پروتون از آند به كاتد را بر عهده دارد، ولی باید از عبور مولكول‌های هیدروژن و اكسیژن ممانعت نماید. غشای الكترولیت همچنین به عنوان یك عایق بین صفحات دو قطبی عمل می‌كند. غشای الكترولیت (غشای رسانای پروتون)، پلیمری است كه زنجیر اصلی آن تفلون بوده و شامل گروه‌های اسیدسولفونیك می‌باشد. گروههای اسیدی بر روی زنجیر پلیمر ثابت هستند، ولی پروتون‌ها می‌توانند آزادانه در غشا حركت كنند. معمولترین غشاء مورد استفاده نیفیون است. این غشا‌ برای اینكه رسانای پروتون باشد، بایستی مرطوب بماند. این مسئله دمای عملیاتی پیل پلیمری را در زیر نقطه جوش آب محدود می‌كند. به این ‌ترتیب آب به عنوان یك مسئلهٔ حیاتی در سیستم پیل پلیمری مطرح می‌شود. در حال حاضر تحقیقات زیادی برای ساخت غشاهایی كه بتوانند در دمای بالای ۱۰۰ درجه سانتیگراد رسانایی داشته باشند، انجام می‌گیرد. همچنین رسانایی یونی غشا نسبت به ناخالصی‌های موجود در آن حساس است. مثلاً اگر غشا در معرض تركیبات فلزی قرار گیرد، یون‌های فلز داخل غشا نفوذ كرده و جایگزین پروتون‌ها می‌شوند. به این‌ترتیب رسانایی غشا كاهش می‌یابد.

---