موتورهای هیدروژنی

موتورهای هیدروژنی

مقدمه

موتورهای هیدروژنی

امروزه یک چهارم از مردم دنیا که در کشورهای صنعتی زندگی می کنند ، تقریباً سه چهارم از انرژی جهان را مصرف می کنند.در حال حاضر، جمعیت دنیاکمی بیش از شش میلیارد نفر است که با نرخ 8/1 درصد در سال رشد می کند، در حالی که تقاضا برای انرژی با نرخ بیشتری (8 تا 10 درصد )در سال روبه رو است. امروزه ،سوختهای فسیلی نظیر:زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی بیشترین بخش این نیاز را بر طرف می سازند،اما با خطر زوال روبه رو هستند. مهمترین مساله در مورد سوخت های فسیلی رایج ، پایان پذیری و تجدید ناپذیری آنهاست. طبیعت ، میلیون ها سال برای پدید آوردن این سوختها وقت صرف کرده و بشر طی یک قرن یا بیشتر ، آن را مصرف می کند ، به همین دلیل است که امکان استفاده از منابع غیر متداول انرژی مانند : خورشید ، باد ، امواج و … مورد توجه قرار گرفته است . منحنی ها  حاکی از این نکته است که در آینده نه چندان دور ، تحول چشمگیری در عرصه شناخت و مصرف انواع سوخت ها بروز خواهد کرد . 

حقیقت این است که در مقایسه منابع سوخت مورد استفاده کنونی هیچ یک کیفیت و کارایی مطلوب نفت و گاز طبیعی را ندارد ، ولی محدودیت ها و معایب این منابع ، دست یابی به شکل واسطه ای یا مصنوعی از انرژی را ضروری ساخته است . بسیاری از دانشمندان بر این باورند که سیستم انرژی هیدروژنی به نحوی می تواند حلقه ی اتصال منابع جدید انرژی و مراکز مصرف باشد.

تاریخچه مصرف انرژی هیدروژنی

ایده مصرف از انرژی هیدروژن چیز جدیدی نمی باشد اولین بار در قرن گذشته در سال 1839 توسط سر ویلیامز که یک قاضی دانشمند ولزی بود مطرح شد .

استفاده از آن تا سال 1960 ضروری نشان نمی داد تا اینکه ایالات متحده آمریکا در برنامه فضایی خود برای Apllo و Gemeni به کار گرفت و هنوز برای نیروی الکتریسیته شاتل ها کاربرد دارد.

مزایای استفاده از سوخت هیدروژنی

1- برتری نسبی خواص هیدروژن در مقایسه با سوختهای فسیلی

2- تلاش و تحقیق روز افزون برای رفع معایب و مسایل سیستم انرژی هیدروژنی وزن هیدروژن در مقایسه باسوختهای فسیلی برای بدست آوردن مقدارمعینی انرژی – تقریباً

یک سوم ، اما حجیمتر است . برای مقدار معین از انرژی هیدروژن به شکل مایع 8/3 برابر بنزین و در حالت گازی 6/3 برابر گاز طبیعی ، حجم را اشغال می کند البته در عمل این اضافه حجم 20 تا 25 در صد کمتر است ، زیرا هیدروژن بسیار موثرتر از سوخت های فسیلی به سایر شکلهای انرژی مصرفی ، تبدیل می شود .

سرعت زیاد شعله و محدوده وسیع احتراق ، هیدروژن ، آن را به سوختی متناسب برای موتورهای درونسوز ، توربین های گازی و موتورهای جت تبدیل کرده است . هیدروژن در موتورهای درون سوز می تواند با بازدهی 12 تا 20 درصد بیش از سوختهای فسیلی به انرژی مکانیکی تبدیل شود . همچنین ، سبکی بیشتر هیدروژن در مقایسه با سوخت جت – به ویژه هیدروژن مایع نسبت به واحد وزن در مقایسه با سوخت جت – همراه با محتوای انرژی بیشتر است . همین مساله به هنگام استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در هواپیما ، وزن نشستن هواپیما و در نتیجه مصرف سوخت را کاهش می دهد و استفاده از آن برای هواپیماهای مسافربری برتری دارد .از نتایج پژوهشها چنین بر می آید که استفاده از هیدروژن مایع در موتور هواپیماهای مسافربری معمولی 19 درصد مصرف انرژی را نسبت به سوخت جت با پایه ی فسیلی ، کاهش می دهد . در هواپیماهای مافوق صوت ، این برتری به 38 درصد و در خودروهای درون سوز به 20 تا 60 درصد می رسد.

در تبدیل سوخت ها به انرژی حرارتی در بعضی مصارف صنعتی ، تجارتی یا خانگی ، بازده هیدروژن بیش از سایر سوختها است . 

ملاحظه شده که 736 واحد انرژی هیدروژنی کافی است تا کار 100 واحد انرژی سوخت فسیلی موثر است .

3- از لحاظ مسایل ایمنی و آلودگی نیز هیدروژن یکی از تمیزترین و ایمن ترین سوخت ها است . موتورهای با سوخت هیدروژن ، به طرح های مربوط به کنترل آلودگی نیاز ندارد ، زیرا محصول احتراق آن فقط بخار آب است که خطر برای لایه ی ازن ندارد در حالی که یکی از نقایص عمده ی سوخت های فسیلی ، آلایندگی محصولات ناشی از احتراق آن هاست .

محصول احتراق هیدروژن (بخار آب ) سمی و آلاینده نیست حتی تنفس آن ضرری ندارد و همین مساله ، استفاده از آن را در مصارف خانگی ، ایمن می سازد . از لحاظ ایمنی نیز آتش هیدروژن خطر کمتری از آتش سوخت های فسیلی دارد ، چرا که درخشش شعله و تشعشع حرارتی آن کمتر است . .

روشهای نگهداری و ذخیره هیدروژن : 

1- ذخیره سازی به صورت هیدرورهای فلزی

2- ذخیره سازی به صورت مایع و گاز تحت فشار

ذخیره هیدروژن در فلزات یا آلیاژها به صورت هیدرور است . هیدرور بر اثر واکنش هیدروژن با یک فلز یا آلیاژ تشکیل می شود . این واکنش گرمازاست ، بر عکس فرآیند دفع هیدروژن گرماگیر است ، یعنی برای آزاد شدن هیدروژن از هیدرور باید به آن حرارت داد.اگر فشار هیدروژن ثابت بماند هیدرور مجدداً می تواند با کاهش دما ، شارژ شود . فشار تجزیه برای فلز یا آلیژی مشخص ، تابعی از دماست.

گرما MH2 X + M + XH2 : فرآیند جذب

  MH2 X + MH2 X + : فرآیند دفع

M : نشان دهنده مواد هیدروری و فلز یا آلیاژ است 0سرعت این واکنش ها با افزایش سطح تماس فلز یا آلیاژ افزایش می یابد بنابراین عمدتاً از مواد هیدروری پودری و دانه ای برای تسریع واکنش استفاده می شود 0 با استفاده از خواص این مواد هیدروژنی میتوان هیدروژن را در تانگ نگهدارنده درخانه ذخیره کرده. امروز رایج ترین هیدرورهایی که در فشار اتمسفر و دمای محیط سبب آزاد شدن هیدروژن می شوند . عبارتند از : Lani FcaniFeT

محفظه نگهداری هیدرور:

1 . محفظه نگهداری هیدرور در دمای بالا ( مثل Mg )

2 . محفظه نگهداری هیدرور در دمای پائین ( مثل Fe , Ti , Mn )

1 . دمای واکنش بوسیله گازهای خروجی فراهم می شود و حرارت لازم برای تهویه مطبوع را تامین می کند .

2 . دمای واکنش از گازهای خروجی تامین می شود که ممکن است تا زیر دمایی که برای تقطیر آب مورد نیاز است سرد شود .

دمای واکنش از موتور آب سردکن تامین شده و قدرت خنک کنندگی برای تهیه هوا را فراهم می آورد .

وزن زیاد هیدروژن در دو حالت هیدرور و تحت فشار ، باعث شده است که روش مایع کردن هیدروژن برای استفاده در خودروها و کاربردهای دیگر ، ترجیح داده شود . فناوری مایع سازی هیدروژن پیشرفت خوبی کرده است ظروف و مخازن نگهداری هیدروژن مایع 253- درجه سانتی گراد سرد می شود . باید به نحوی باشد که از نشت آن جلوگیری کند ، هرچند که سبکی و سرعت نفوذ بالای هیدروژن به هر حال باعث نشست مقداری از آن می شود . مهم این است که مقدار نشتی آن از نظر اقتصادی قابل قبول باشد . چگالی کم هیدروژن مایع ، ایجاب می کند که در شرایط مساوی حجم آن 5/3 برابر بنزین باشد البته مجموع وزن سوخت و مخزن برای حرکت یک خودرو در فاصله 500 کیلومتر ، برای بنزین و هیدوژن مایع یکسان است .

هیدروژن مایع در موتورهای جت و موشکهای فضایی کاربرد بسیاری دارد . سازمان فضایی آمریکا

ناسا ) بزرگترین مصرف کننده هیدروژن در جهان است .

مکانیزم کپسولهای سوختی ( هیدروژنی )

کپسول های هیدروژنی از 2 الکترود + و – تشکیل شده .

که الکترون ها ساندویچ مانند از 1 پلیمر مخصوص درست می شود . سوخت هیدروژنی به طرف آند ( - ) می رود . در همان کپسول سوختی با کمک کاتالیزر اتم هیدروژن به پروتون و الکترون تجزیه می شود که راههای مختلفی را به طرف کاتد پیدا می کنند . الکترولیت که در داخل پلیمر به پروتون ها اجازه عبورمی دهد الکترون ها از طرف دیگر به یک مدار راه می یابد و جریان الکتریکی خلق می کند که می تواند تجزیه شود . قبل از اینکه به طرف کاتد برگردد . اکسیژنی که از هوا وارد می شود در داخل این کپسول سوختی به کاتد بر می گردد . الکترون ها و پروتون با اکسیژن و هیدروژن ترکیب می شود که یک مولکول آب را تشکیل می دهد . که این یکی از محصول تغییرات است .

این کپسول یک ظرفیت محدود برای جریان محدودی دارد . اگرچه این کپسولها بیرون انداخته نمی شود و نیاز به شارژ دوباره ندارد . زمانی که در دسترس باشند الکترون ها کاربرد بالاتری دارند. سوخت هیدروژنی دوباره پر می شود در داخل کپسول های ساندویچی درمدار آن برق تهیه می شود .

یک ماشین که با کپسول های سوختی می باشد نیاز به باطری انباره ای ندارد و همچنین 1 وزن و فضای اضافی را در می گیرد . جابجایی و تعویض پروتون در عنصرها حتی در درجه حرارت پایینc 80 و با داشتن غلظت بالا و قدرت بالا و می توانند نیروی خروجی از بالا به پایین کاهش پیدا می کندو مناسب برای ماشینهایی که نیاز به سریع روشن شدن دارد . در بخش انرژی این اولین انتخاب برای اتومبیلهایی با کاربردی سبک می باشد .

باطری های قابل شارژ این کپسولهای سوخت نشان می دهند . جابجایی پروتون های تشکیل شده از 1 ورقه نازک که اجازه می دهد هیدروژن با شارج + بروند و داخل آن را با آلیاژهای فلزی که به صورت لایه لایه از جنس پلاتینیوم بوده می پوشانند کادو کاتالیزر فعال می باشند . الکترون در یک عضو جامد پلیمری با اسید Poly Per Fulsatfoni بکار برده می شود . خروجی آنها از 50 تا 250 کیلووات می باشد . عکس العمل را کپسول سوختی که در آن ذرات زیادی با هم درگیر می شود که ولتاژ خیلی کمی تولید می کند که باعث حرکت اتومبیل می گردد . کپسول سوختی می گویند . یک پلاسماترون بدون عکس العمل طولی سیلندر که عمل هوا بر روی آن تقریباً 5/1 کیلووات می باشد . این پلاسماجت اشاره ای به طرف بالاست در طی تغییر شکل عمل تزریق سوخت به طرف استیل استیل با توجه به هواست همانطور که در شکل نشان داده شده است .

در شکل بعد یک میکروپلاسماترون تبدیل سوخت که آن شامل عکس العمل کشش و تعویض گرما می تواند درجه حرارت سوخت را پایین بیاورد و یک گاز هیدروژن غنی شده و گرمای قبلی و ورودی هوا نیاز به انرژی الکتریکی کمی دارد پلاسماترون و افزایش هیدروژن به صورت لایه ای کار و ادادمه پیدا می کندو کارآیی بالا را به می دهد .

محاسبه حرارت بازیافته نشان می دهد که بکارگیری سیستم حرارت قبلی می تواند نیروی الکتریکی به پلاسماترون را نصف کند .

یک نمونه از تبدیل کننده سوخت پلاسماترونی شامل 1 لوله فلزی استیل به قطر cm 4و cm 15 طول که به صورت هدایت حرارتی با یک لایه فایبرگلاس کنار صفحات استیل قرار می گیرد و نمونه هایی از هیدروژن غنی و سرد و جدا شده بکار گرفته می شود و گاز کرومات گرافی شده یا ( Gc ) جدول شماره 1 نشان می دهند که پلاسما روم نمونه فاصله پلاسماترون ها از مشخصه های کاری برای یک جریان DC موادی که می تواند از پلاسمایی که تغییر دهنده مس ، زیرکونیوم و مولیبدن هستند بکار گرفته شوند که کارآیی تبدیل بقای الکترودها ، اندازه و وزن و موارد حیاتی روشن که نیاز به 1 تحقیق دقیق دارد .

105-10KW Power

120-140VDC Voltage

15-75ADC Current

/05 g/s-105 g/s Flowrates Air

/03-/05g/s Fuel

این مشکلات که توضیح داده شد با موتوری که در شکل 3 مشاهده می کنید بکار گرفته می شود .

پلاسماترون ها توسط عکس العمل خطی سیلند دنبال می شوند که یک نوع ساده مبدل گرمایی ( برای کاربرد غنی و سرد نشده باشد ) و حرارت تبدیل گاز به آب برای خنک شدن تغییر حالت بوجود آمده باشد بکار گرفته می شود .

نوع تغییر شکل برای گازوئیل و بنزین که با تغییر شکل با توس DC بکار گرفته می شود مبدل سوختی پلاسماترون سوخت از نوع معمول با کارآیی بالا تبدیل می شوند . اگرچه با حرارت تولید دوباره و با طراحی راکتورهای قابل قبول تخمین زده می شود که با یک انرژی الکتریکی تبیدل مایکروپلاسترون ها سوخت به پلاسترون ها با 5% حرارت سوختی در دستور کار قرار دارد . علاوه بر این در راکتور هیچ نشانه ای از دوده حتی پس از عملیات دیده نشده است .