موتورهاي هيدروژني

مقدمه
موتورهاي هيدروژني
امروزه يك چهارم از مردم دنيا كه در كشورهاي صنعتي زندگي مي كنند ، تقريباً سه چهارم از انرژي جهان را مصرف مي كنند(شكل شماره 1 ) در حال حاضر، جمعيت دنياكمي بيش از شش ميليارد نفر است كه با نرخ 8/1 درصد در سال رشد مي كند، در حالي كه تقاضا براي انرژي با نرخ بيشتري (8 تا 10 درصد )در سال روبه رو است. امروزه ،سوختهاي فسيلي نظير:زغال سنگ، نفت و گاز طبيعي بيشترين بخش اين نياز را بر طرف مي سازند،اما با خطر زوال روبه رو هستند. مهمترين مساله در مورد سوخت هاي فسيلي رايج ، پايان پذيري و تجديد ناپذيري آنهاست. طبيعت ، ميليون ها سال براي پديد آوردن اين سوختها وقت صرف كرده و بشر طي يك قرن يا بيشتر ، آن را مصرف مي كند ، به همين دليل است كه امكان استفاده از منابع غير متداول انرژي مانند : خورشيد ، باد ، امواج و … مورد توجه قرار گرفته است . منحني هاي شكل ( شماره 2 ) حاكي از اين نكته است كه در آينده نه چندان دور ، تحول چشمگيري در عرصه شناخت و مصرف انواع سوخت ها بروز خواهد كرد . 
حقيقت اين است كه در مقايسه منابع سوخت مورد استفاده كنوني هيچ يك كيفيت و كارايي مطلوب نفت و گاز طبيعي را ندارد ، ولي محدوديت ها و معايب اين منابع ، دست يابي به شكل واسطه اي يا مصنوعي از انرژي را ضروري ساخته است . بسياري از دانشمندان بر اين باورند كه سيستم انرژي هيدروژني به نحوي مي تواند حلقه ي اتصال منابع جديد انرژي و مراكز مصرف باشد.
تاريخچه مصرف انرژي هيدروژني

ايده مصرف از انرژي هيدروژن چيز جديدي نمي باشد اولين بار در قرن گذشته در سال 1839 توسط سر ويليامز كه يك قاضي دانشمند ولزي بود مطرح شد . 
استفاده از آن تا سال 1960 ضروري نشان نمي داد تا اينكه ايالات متحده آمريكا در برنامه فضايي خود براي Apllo و Gemeni به كار گرفت و هنوز براي نيروي الكتريسيته شاتل ها كاربرد دارد.
مزاياي استفاده از سوخت هيدروژني
1- برتري نسبي خواص هيدروژن در مقايسه با سوختهاي فسيلي
2- تلاش و تحقيق روز افزون براي رفع معايب و مسايل سيستم انرژي هيدروژني وزن هيدروژن در مقايسه باسوختهاي فسيلي براي بدست آوردن مقدارمعيني انرژي – تقريباً 
يك سوم ، اما حجيمتر است . براي مقدار معين از انرژي هيدروژن به شكل مايع 8/3 برابر بنزين و در حالت گازي 6/3 برابر گاز طبيعي ، حجم را اشغال مي كند البته در عمل اين اضافه حجم 20 تا 25 در صد كمتر است ، زيرا هيدروژن بسيار موثرتر از سوخت هاي فسيلي به ساير شكلهاي انرژي مصرفي ، تبديل مي شود . 
سرعت زياد شعله و محدوده وسيع احتراق ، هيدروژن ، آن را به سوختي متناسب براي موتورهاي درونسوز ، توربين هاي گازي و موتورهاي جت تبديل كرده است . هيدروژن در موتورهاي درون سوز مي تواند با بازدهي 12 تا 20 درصد بيش از سوختهاي فسيلي به انرژي مكانيكي تبديل شود . همچنين ، سبكي بيشتر هيدروژن در مقايسه با سوخت جت – به ويژه هيدروژن مايع نسبت به واحد وزن در مقايسه با سوخت جت – همراه با محتواي انرژي بيشتر است . همين مساله به هنگام استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت در هواپيما ، وزن نشستن هواپيما و در نتيجه مصرف سوخت را كاهش مي دهد و استفاده از آن براي هواپيماهاي مسافربري برتري دارد .از نتايج پژوهشها چنين بر مي آيد كه استفاده از هيدروژن مايع در موتور هواپيماهاي مسافربري معمولي 19 درصد مصرف انرژي را نسبت به سوخت جت با پايه ي فسيلي ، كاهش مي دهد . در هواپيماهاي مافوق صوت ، اين برتري به 38 درصد و در خودروهاي درون سوز به 20 تا 60 درصد مي رسد. 
در تبديل سوخت ها به انرژي حرارتي در بعضي مصارف صنعتي ، تجارتي يا خانگي ، بازده هيدروژن بيش از ساير سوختها است . جدول شماره (3) اين مزايارا به صورت مقايسهاي اراعه داده است .
ملاحظه شده كه 736 واحد انرژي هيدروژني كافي است تا كار 100 واحد انرژي سوخت فسيلي موثر است . 
3- از لحاظ مسايل ايمني و آلودگي نيز هيدروژن يكي از تميزترين و ايمن ترين سوخت ها است . موتورهاي با سوخت هيدروژن ، به طرح هاي مربوط به كنترل آلودگي نياز ندارد ، زيرا محصول احتراق آن فقط بخار آب است كه خطر براي لايه ي ازن ندارد در حالي كه يكي از نقايص عمده ي سوخت هاي فسيلي ، آلايندگي محصولات ناشي از احتراق آن هاست .
محصول احتراق هيدروژن (بخار آب ) سمي و آلاينده نيست حتي تنفس آن ضرري ندارد و همين مساله ، استفاده از آن را در مصارف خانگي ، ايمن مي سازد . از لحاظ ايمني نيز آتش هيدروژن خطر كمتري از آتش سوخت هاي فسيلي دارد ، چرا كه درخشش شعله و تشعشع حرارتي آن كمتر است . .
روشهاي نگهداري و ذخيره هيدروژن :  

1- ذخيره سازي به صورت هيدرورهاي فلزي 
2- ذخيره سازي به صورت مايع و گاز تحت فشار

ذخيره هيدروژن در فلزات يا آلياژها به صورت هيدرور است . هيدرور بر اثر واكنش هيدروژن با يك فلز يا آلياژ تشكيل مي شود . اين واكنش گرمازاست ، بر عكس فرآيند دفع هيدروژن گرماگير است ، يعني براي آزاد شدن هيدروژن از هيدرور بايد به آن حرارت داد.اگر فشار هيدروژن ثابت بماند هيدرور مجدداً مي تواند با كاهش دما ، شارژ شود . فشار تجزيه براي فلز يا آليژي مشخص ، تابعي از دماست. 
گرما MH2 X + M + XH2 : فرآيند جذب 

  MH2 X + MH2 X + : فرآيند دفع

M : نشان دهنده مواد هيدروري و فلز يا آلياژ است 0سرعت اين واكنش ها با افزايش سطح تماس فلز يا آلياژ افزايش مي يابد بنابراين عمدتاً از مواد هيدروري پودري و دانه اي براي تسريع واكنش استفاده مي شود 0 با استفاده از خواص اين مواد هيدروژني ميتوان هيدروژن را در تانگ نگهدارنده درخانه ذخيره كرد0( شكل شماره 4 ) . امروز رايج ترين هيدرورهايي كه در فشار اتمسفر و دماي محيط سبب آزاد شدن هيدروژن مي شوند . عبارتند از : Lani FcaniFeT 
محفظه نگهداري هيدرور:
1 . محفظه نگهداري هيدرور در دماي بالا ( مثل Mg )
2 . محفظه نگهداري هيدرور در دماي پائين ( مثل Fe , Ti , Mn )
1 . دماي واكنش بوسيله گازهاي خروجي فراهم مي شود و حرارت لازم براي تهويه مطبوع را تامين مي كند . 
2 . دماي واكنش از گازهاي خروجي تامين مي شود كه ممكن است تا زير دمايي كه براي تقطير آب مورد نياز است سرد شود . 
دماي واكنش از موتور آب سردكن تامين شده و قدرت خنك كنندگي براي تهيه هوا را فراهم مي آورد . 
وزن زياد هيدروژن در دو حالت هيدرور و تحت فشار ، باعث شده است كه روش مايع كردن هيدروژن براي استفاده در خودروها و كاربردهاي ديگر ، ترجيح داده شود . فناوري مايع سازي هيدروژن پيشرفت خوبي كرده است ظروف و مخازن نگهداري هيدروژن مايع 253- درجه سانتي گراد سرد مي شود . بايد به نحوي باشد كه از نشت آن جلوگيري كند ، هرچند كه سبكي و سرعت نفوذ بالاي هيدروژن به هر حال باعث نشست مقداري از آن مي شود . مهم اين است كه مقدار نشتي آن از نظر اقتصادي قابل قبول باشد . چگالي كم هيدروژن مايع ، ايجاب مي كند كه در شرايط مساوي حجم آن 5/3 برابر بنزين باشد البته مجموع وزن سوخت و مخزن براي حركت يك خودرو در فاصله 500 كيلومتر ، براي بنزين و هيدوژن مايع يكسان است . 
هيدروژن مايع در موتورهاي جت و موشكهاي فضايي كاربرد بسياري دارد . سازمان فضايي آمريكا 
ناسا ) بزرگترين مصرف كننده هيدروژن در جهان است . 

مكانيزم كپسولهاي سوختي ( هيدروژني )

كپسول هاي هيدروژني از 2 الكترود + و – تشكيل شده . 
كه الكترون ها ساندويچ مانند از 1 پليمر مخصوص درست مي شود . سوخت هيدروژني به طرف آند ( - ) مي رود . در همان كپسول سوختي با كمك كاتاليزر اتم هيدروژن به پروتون و الكترون تجزيه مي شود كه راههاي مختلفي را به طرف كاتد پيدا مي كنند . الكتروليت كه در داخل پليمر به پروتون ها اجازه عبورمي دهد الكترون ها از طرف ديگر به يك مدار راه مي يابد و جريان الكتريكي خلق مي كند كه مي تواند تجزيه شود . قبل از اينكه به طرف كاتد برگردد . اكسيژني كه از هوا وارد مي شود در داخل اين كپسول سوختي به كاتد بر مي گردد . الكترون ها و پروتون با اكسيژن و هيدروژن تركيب مي شود كه يك مولكول آب را تشكيل مي دهد . كه اين يكي از محصول تغييرات است . 
اين كپسول يك ظرفيت محدود براي جريان محدودي دارد . اگرچه اين كپسولها بيرون انداخته نمي شود و نياز به شارژ دوباره ندارد . زماني كه در دسترس باشند الكترون ها كاربرد بالاتري دارند. سوخت هيدروژني دوباره پر مي شود در داخل كپسول هاي ساندويچي درمدار آن برق تهيه مي شود . 
يك ماشين كه با كپسول هاي سوختي مي باشد نياز به باطري انباره اي ندارد و همچنين 1 وزن و فضاي اضافي را در مي گيرد . جابجايي و تعويض پروتون در عنصرها حتي در درجه حرارت پايينc 80 و با داشتن غلظت بالا و قدرت بالا و مي توانند نيروي خروجي از بالا به پايين كاهش پيدا مي كندو مناسب براي ماشينهايي كه نياز به سريع روشن شدن دارد . در بخش انرژي اين اولين انتخاب براي اتومبيلهايي با كاربردي سبك مي باشد . 
باطري هاي قابل شارژ اين كپسولهاي سوخت نشان مي دهند . جابجايي پروتون هاي تشكيل شده از 1 ورقه نازك كه اجازه مي دهد هيدروژن با شارج + بروند و داخل آن را با آلياژهاي فلزي كه به صورت لايه لايه از جنس پلاتينيوم بوده مي پوشانند كادو كاتاليزر فعال مي باشند . الكترون در يك عضو جامد پليمري با اسيد Poly Per Fulsatfoni بكار برده مي شود . خروجي آنها از 50 تا 250 كيلووات مي باشد . عكس العمل را كپسول سوختي كه در آن ذرات زيادي با هم درگير مي شود كه ولتاژ خيلي كمي توليد مي كند كه باعث حركت اتومبيل مي گردد . كپسول سوختي مي گويند . يك پلاسماترون بدون عكس العمل طولي سيلندر كه عمل هوا بر روي آن تقريباً 5/1 كيلووات مي باشد . اين پلاسماجت اشاره اي به طرف بالاست در طي تغيير شكل عمل تزريق سوخت به طرف استيل استيل با توجه به هواست همانطور كه در شكل نشان داده شده است . 
در شكل بعد يك ميكروپلاسماترون تبديل سوخت كه آن شامل عكس العمل كشش و تعويض گرما مي تواند درجه حرارت سوخت را پايين بياورد و يك گاز هيدروژن غني شده و گرماي قبلي و ورودي هوا نياز به انرژي الكتريكي كمي دارد پلاسماترون و افزايش هيدروژن به صورت لايه اي كار و ادادمه پيدا مي كندو كارآيي بالا را به مي دهد . 
محاسبه حرارت بازيافته نشان مي دهد كه بكارگيري سيستم حرارت قبلي مي تواند نيروي الكتريكي به پلاسماترون را نصف كند . 
يك نمونه از تبديل كننده سوخت پلاسماتروني شامل 1 لوله فلزي استيل به قطر cm 4و cm 15 طول كه به صورت هدايت حرارتي با يك لايه فايبرگلاس كنار صفحات استيل قرار مي گيرد و نمونه هايي از هيدروژن غني و سرد و جدا شده بكار گرفته مي شود و گاز كرومات گرافي شده يا ( Gc ) جدول شماره 1 نشان مي دهند كه پلاسما روم نمونه فاصله پلاسماترون ها از مشخصه هاي كاري براي يك جريان DC موادي كه مي تواند از پلاسمايي كه تغيير دهنده مس ، زيركونيوم و موليبدن هستند بكار گرفته شوند كه كارآيي تبديل بقاي الكترودها ، اندازه و وزن و موارد حياتي روشن كه نياز به 1 تحقيق دقيق دارد . 



105-10KW Power
120-140VDC Voltage
15-75ADC Current
/05 g/s-105 g/s Flowrates Air
/03-/05g/s Fuel
اين مشكلات كه توضيح داده شد با موتوري كه در شكل 3 مشاهده مي كنيد بكار گرفته مي شود . 
پلاسماترون ها توسط عكس العمل خطي سيلند دنبال مي شوند كه يك نوع ساده مبدل گرمايي ( براي كاربرد غني و سرد نشده باشد ) و حرارت تبديل گاز به آب براي خنك شدن تغيير حالت بوجود آمده باشد بكار گرفته مي شود . 
نوع تغيير شكل براي گازوئيل و بنزين كه با تغيير شكل با توس DC بكار گرفته مي شود مبدل سوختي پلاسماترون سوخت از نوع معمول با كارآيي بالا تبديل مي شوند . اگرچه با حرارت توليد دوباره و با طراحي راكتورهاي قابل قبول تخمين زده مي شود كه با يك انرژي الكتريكي تبيدل مايكروپلاسترون ها سوخت به پلاسترون ها با 5% حرارت سوختي در دستور كار قرار دارد . علاوه بر اين در راكتور هيچ نشانه اي از دوده حتي پس از عمليات ديده نشده است .