پيل سوختی

[*مینا*]

عصر هيدروژن


از نظر منابع انرژی، بشر تاکنون چهار عصر را پشت‌سر گذاشته است. عصر اول، عصر «زیست‌توده» است که در طی آن، انرژی موردنیاز بشر از طریق سوزاندن شاخ و برگ درختان تأمین می‌شده است. شاخ و برگ درختان در واقع اولين منبع انرژی بود که توسط انسان شناخته شد، منبعی ساده و دردسترس که نام علمی آن «زيست‌توده» است. به نظر شما منبع اصلی انرژی در زيست‌توده چيست؟ گياهان با انجام عمل فتوسنتز انرژی خورشيد را در برگ‌های خود ذخيره می‌کنند. با سوزاندن اين ترکيبات انرژی ذخيره شده در آنها به صورت حرارت آزاد می‌شود. علاوه بر چوب درختان، منابع جنگلی، ضايعات کشاورزی، فاضلاب شهری و فضولات دامی نيز از منابع زيست‌توده به شمار می‌روند. جمع‌آوری زيست‌توده در حجم‌های بالا بسيار هزينه‌بر است. از طرف ديگر، چون منابع زيست‌توده اغلب مرطوب هستند مقدار انرژی توليدی از آنها به ازای واحد حجم پايين است.
با كشف زغال سنگ و خواص احتراقي آن، بهره‌برداري از اين ماده به‌عنوان يك منبع توليد انرژي حرارتي توسعه فراوانی يافت. اين مسئله با اختراع موتورهاي بخار كه تحول عظيمي در صنعت محسوب می‌شوند، شتاب بيشتري گرفت. توسعه شبكه‌هاي راه‌آهن با لوكوموتيوهايي كه از سوخت زغال سنگ استفاده می‌کنند نيز در شكوفايي اين عصر تاثير فراواني داشت. در واقع؛ اين دوره زماني، عصر تأمين انرژي بشر به وسيله زغال سنگ يا عصر زغال سنگ است.
با كشف نفت و شناخت مزاياي آن نسبت به زغال سنگ، به ويژه در حوزه حمل و نقل، به تدريج بهره‌گيري از زغال سنگ کاهش يافت و نفت خام جایگزین آن شد، تا جائي‌كه در فاصله زماني كوتاهي بخش اعظم انرژي مورد نياز بشر از نفت خام و مشتقات آن تأمين مي‌گرديد. بر مبناي اين روند سريع بود كه نفت خام به عنوان مهمترين ماده تأمين كننده انرژي بشر شناخته شد و اين دوره زماني را بايد بدون ترديد عصر نفت نام نهاد. اما در اثر احتراق نفت، گاز دی اکسيد کربن توليد می‌شود که يک گاز گلخانه‌ای بوده و سبب آب شدن یخ‌ها و در نهایت، گرم شدن هوا خواهد شد. از این رو، گاز طبیعی به سبب ارزان و در دسترس بودن و هم‌چنین کاهش آلودگی زیست‌محیطی، در کنار نفت به عنوان منبع دیگری برای تولید انرژی مورد استفاده قرار گرفت.
امروزه، به علت نگراني‌های مربوط به گرم شدن هوا، رشد جمعيت، پيشرفت فناوری و همچنين، کاهش سريع منابع نفتی جهان، استفاده از منابع جديد انرژی مورد توجه قرار گرفته است. از جمله موادی که می‌تواند جايگزين مناسبی برای سوخت‌های فسيلی باشد، هيدروژن است و وسيله‌ای که با استفاده از آن می‌توان از هيدروژن انرژی گرفت، «پيل سوختی» نام دارد. با توجه به مزيت‌هايی که هيدروژن نسبت به سوخت‌های ديگر دارد، شايد بتوان ادعا کرد که «عصر آينده، عصر هيدروژن خواهد بود».

معرفی هيدروژن
شايد بزرگترين ویژگی هيدروژن، فراوانی این عنصر در طبیعت باشد. حتماً تعجب خواهيد کرد اگر بدانيد که بنا بر برآوردهاي انجام شده، حدود 90 درصد از اتم‌ها و نيز حدود 70 درصد از جرم کل هستی را هيدروژن تشکيل داده است. اين ماده در تمام ستاره‌ها وجود دارد و منبع اصلی تهيه انرژی ستاره‌ها به واسطه واکنش‌های هسته‌ای است.

مزايای استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت

• حداقل آلودگی محيط زيستی
  در نتیجه‌ی سوختن مستقيم هيدروژن با اکسيژن هوا و يا واکنش الکتروشيميايی غيرمستقيم هيدروژن با اکسيژن هوا، آب توليد می‌شود و بر خلاف سوخت‌های فسیلی، گازهايی مانند دی‌اکسيد کربن، منوکسيد کربن، گوگرد و ذرات نسوخته هيدروکربنی به وجود نمی‌آيد.
• امکان توليد از منابع فسيلي و پاك
  همان‌طور که اشاره شد، هيدروژن به صورت خالص وجود ندارد اما می‌توان آن را از منابع مختلف مانند زغال سنگ، گاز طبيعی، زيست توده و آب تهيه کرد. اين روش‌ها به صورت جزئی در مقالات بعدی بررسی می‌شوند.
• قابليت سوختن در موتورهاي احتراقی
  می‌توان هيدروژن را به عنوان سوخت در خودروها به کار برد. استفاده از پيل سوختی از سوی خودروسازان به صورت آزمايشی آغاز شده است، البته در آمريکا استفاده از آن گستردگی بيشتری دارد. خودروهای پيل سوختی در واحد پيل خود از واکنش هيدروژن و اکسيژن، برق توليد می‌کنند و از برق توليدی نيز برای به حرکت در آوردن چهار الکتروموتور استفاده می‌شود که خروجی سيستم نيز تنها آب است. در بعضی موارد، نيروی محرکه خودرو از يک باتری يون ليتيوم تامين می‌شود که شارژ آن توسط مولد پيل سوختی انجام می‌شود.
• هيدروژن به راحتی به وسيله خط لوله انتقال داده می‌شود.
• هيدروژن داراي بالاترين ظرفيت انرژي به ازاي هر واحد وزن سوخت مي‎باشد. يعنی ميزان حرارت توليد شده از آن در اثر احتراق در واحد وزن بيشتر از هر سوخت ديگري است.
• هيدروژن فراوان بوده و تجديد پذير است.

منابع توليد هيدروژن
گاز هيدروژن را می‌توان هم از منابع اوليه تجديدپذير مانند زيست‌توده و هم از منابع تجديدناپذير مانند گاز طبيعی، نفت و زغال سنگ توليد کرد. امروزه توليد گاز هيدروژن از منابع تجديدپذير به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را مي‌پيمايد. اين در حالي است که توليد گاز هيدروژن از منابع تجديدناپذير به ويژه منابع فسيلي به علت محدود بودن اين منابع روز به روز کاهش مي‌يابد.
آنچه گفته شده شايد بتواند اهميت و چرايي استفاده از هيدروژن را به عنوان سوخت مشخص کند. در بخش‌های بعدی اين مقاله به معرفی پيل سوختی (به عنوان وسيله توليد انرژی از هيدروژن) و نقش فناوری نانو در دستيابی به اين وسيله پرداخته خواهد شد.



منبع : باشگاه نانو