وسایل هیدروژنی

وسایل هیدروﮊنی

وسیله ی نقلیه ی هیدروژنی وسیله ایست که از هیدروژن به عنوان سوخت برای حرکت کردن استفاده می کند. این نوع وسایل ممکن است به عنوان یک وسیله حمل و نقل شخصی شناخته شود از قبیل اتومبیل ٬ یا دیگر وسایل نقلیه که از هیدروژن به روش مشابه استفاده می کنند مانند هواپیما. موتور هر وسیله انرژی شیمیایی را به انرژی مکانیکی (گشتاور) به یکی از دو روش : سوختن(احتراق) یا تبدیل الکترو شیمیایی از طریق پیل سوختی تبدیل می کند.
در موتورهای احتراق داخلی هیدروژن ٬ هیدروژن در موتورها اساساَ به صورت روش سنتی موتورهای احتراق داخلی می سوزد
در تبدیل پیل سوختی ٬ هیدروژن با اکسیژن واکنش می دهد و تولید آب و الکتریسته می کند و سپس از قدرتش در موتورهای کشش الکتریکی (قوه الکتریکی ) استفاده می شود.

هیدروژن یکی از دو جزء مهم طبیعت است که ترکیب این گاز تشکیل آب می دهد.هیدروژن به تنهایی انرژی ندارد اما حامل انرژی است به دلیل اینکه به مقدار زیادی انر ژی نیاز دارد تا به آب تبدیل شود.ترکیب منابع انرژی در پیل های سوختی ویا باتری ها مفید است.بیشتر کارخانه ها در توسعه ی تکنولوژی که بتوانند بهره برداری موثری از انرژی پتانسیل هیدروژن داشته باشند بسیار تلاش می کنند.

1) وسایل

اتوبوس٬قطار٬دوچرخه٬چرخ حمل بار٬دو چرخ گلف ٬موتور سیکلت٬صندلی چرخ دار٬ کشتی ها٬ هواپیماها٬ زیر دریایی ها و راکت ها می توانند بدون وقفه٬ به صورت های مختلف و بعضی مواقع با هزینه های زیاد از هیدروژن استفاده کنند.ناسا از هیدروژن برای پرتاب شاتل فضایی به فضا استفاده می کند. حتی مدل هایی از خودرو های اسباب بازی وجود دارد که با انرژی خورشیدی کار می کند ٬ برای نگهداری انرژی در فرم اکسیژن و هیدروژن از احیا کننده پیل سوختی استفاده می شود . پس می تواند سوخت اضافه را به آب تبدیل کند تا انرژی خورشیدی آزاد شود.
سرعت های زمینی متداول ثبت شده از وسایل هیدروژنی 286.74مایل/ ساعت (461.038 کیلومتر/ ساعت) است.
باکی بالت2 (Buckeye Bullet 2) در دانشگاه اوهایو به سرعت 280 مایل/ ساعت (450 کیلومتر/ ساعت) در آگوست 2008 دست یافت. برای تولید متداول وسایل هیدروژنی ٬ سرعت متداول ثبت شده از این وسایل 207 مایل/ ساعت (333.38 کیلومتر/ ساعت) است که به مدل (Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Race Car ) در آگوست 2007 اختصاص دارد .این وسیله به همراه خود یک تانک اکسیژن فشرده دارد که فشار را افزایش می دهد . شرکت هوندا همچنین تفکری به نام FC Sport ایجاد کرده که ممکن است بتواند بر رکورد های سابق محصولات غلبه کند.

خودرو

جدیدا بیشتر شرکت ها امکان ساخت خودرو های هیدروژنی را تحقیق می کنند و بیشتر تولید کنندگان خودرو بسط خودروهای هیدروژنی را آغاز کرده اند. اگر چه کمپانی فورد موتور طرح توسعه ی خودرو های هیدروژنی را از قلم انداخته ٬ اظهار می کند که (( مرحله بزرگ بعدی در طراحی فورد افزایش تولید حجم وسایل شارژی الکتریکی است )) .همچنین رنو-نیسان فرانسه در فوریه 2009 اعلام کرد کهتلاش برای ساخت خودروهای هیدروژنی قطع شد ولی کمپانی نیسان در ژاپن تست وسایل FC (foot candle)را آغاز کرد.
بیشتر خودرو های هیدروژنی اغلب فقط قادر به نمایش مدل ها یا ساخت کرایه ای در مقادیر محدود هستند و هنوز برای استفاده عمومی استفاده نمی شود. تعداد وسایل هیدروژنی عمومی در آپریل 2007 در ایالات متحده 200عدد ثبت شده که اغلب در کالیفور نیا بوده است .سرمایه گذاری در این بخش اغلب از طرف بخش خصوصی و نیم دولتی می باشد .در می 2008 Wired News گزارش داد :(کارشناسان میگویند این چهل سال یا بیشتر که در برابر هیدروژن است می تواند خود را در مقابل سوخت بنزینی و گرمای جهان ثابت کند و ما نمی توانیم مدت زیادی صبر کنیم .در ضمن سلول های سوختی معطوف به سمت ابتکاراتی هست که سریعتر چاره ساز می شود ) . در می 2009 دولت آمریکا ((قطع بودجه )) را برای توسعه چرخه سوخت هیدروژنی اعلام کرد.
Daimler شروع به ساخت وسایل FC در 2009 کرد و به کمتر از 100000 وسیله در 2012 – 2013خواهد رسید.

Hyundai قصد دارد500 وسیله درسال2010 تولید کند و انتظار می رود تا سال 2012 به تولید انبوه وسایل FC برسد.

اتوبوس

پیل های سوختی (در مقابل سوخت هیدروژن اتوبوس)در چندین کار خانه در نقاط مختلف جهان ساخته می شود.
انجمن پیل سوختی یک انجمن جهانی است که با همکاری تمام اعضا سلول های سوختی اتوبوس را آزمایش می کنند .ابتدا هیدروژن به صورت تانک روی سقف اتوبوس سوار می شد.اگر چه اینک مدل هایی از تانک داخل اتوبوس قرار دارد٬ بعضی از مدل های دو طبقه اتوبوس نیز وجود دارد که تانک بین دو طبقه قرار دارد.

دو چرخه

شرکت منابع انرژی هیدروژنی در شانگهای چین٬ دو چرخه هیدروژنی را در نهمین نمایشگاه بین المللی(فناوری گاز٬تجهیزات و استفاده از آنها ) چین در سال 2007 به نمایش گذاشتند.

موتو سیکلت و روروک

Env یعنی بهبود قدرت الکتریکی موتو سیکلت ها با استفاده از پیل سوختی هیدروژنی شامل کراس گیج و هواپیمای دوباله.
دیگر تولید کننده ها از قبیل vectrix روی انواع روروک های هیدروژنی کار می کنند.و در آخر روروک هایی با پیل های هیدروژنی سوختی – الکتریکی hybrid در حال ساخت هستند مانند Fhybrid .

تراکتورها

به خاطر ابداعات و الزامات جدید هلند برای انرژی های تجدید شدنی ٬ اخیراًً با جایزه ابداعات sima و بردن مدال طلا برای طراحی حالت مؤثر NH2 برای موتور هیدروژنی تراکتور قدردانی شد.

هواپیما

کارخانه هایی از قبیل BOING ٬ LONG AVIATION ٬ GERMAN AEROSPACE CENTER پیگیر استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت هواپیما هستند. هواپیما های بدون سرنشین هیدروژنی قبلاَ آزمایش شده است و در فوریه ی 2008 BOING یک هواپیما ی با سرنشین را که با سوخت پیل سوختی هیدروژن کار می کرد را آزمایش کرد.گزارش شده که (( BOING گفته که پیل سوختی هیدروژن شباهتی به قدرت موتورها در جت های بزرگ مسافرتی نبود اما میتوان برای پشتیبانی یا تولید الکتریسیته در هواپیما استفاده کرد .
در اروپا ٬ موتورهای انفعالی(REACTION ENGINES A-2) برای استفاده در ترمودینامیک هیدروژن مایع پیشنهاد شده تا به سرعت بالا در پروازهای طولانی با سوختن هیدروژن مایع درprecooled jet engine( موتورهای جت خنک کن) دست پیدا کنند.

راکت ها

راکت ها از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کنند به خاطر اینکه هیدروژن سرعت خروج بالاتر و نیز وزن خالص کمتری نسبت به دیگر سوخت ها دارد.هیدروژن به طور طبیعی به سطوح بالاتر نور افشانی می کند اگر چه در تماس با یک افزایش دهنده سوختی چگال به هملن اندازه برای سطوح پایین هم استفاده می شود.

اصلی ترین اشکال هیدروژن در این دستور العمل چگالی کم و ماهیت برودتی پایین (نیاز به عایق کاری)است. این امر باعث می شود که تانک های هیدروژن نسبتاَ سنگین باشد که به شدت غیر متعادل است و در غیر این صورت برای این کار بسیار سودمند می باشد.
اصلی ترین مزیت هیدروژن این است که اگر چه DELTA-V که در این مرحله به کار گرفته می شود کمی چگالی متفاوت نسبت به گاز خروجی دارد شعله ور شدن هیدروژن در این مرحله نسبتاَ کم است .این امر باعث کاهش مرحله ی احتراق می شود.

2)وسایل درون سوز

بند های اصلی: موتورهای احتراق داخلی هیدروژنی و لیست موتورهای احتراق داخلی هیدروژنی
موتورهای احتراق داخلی هیدروژنی ماشین ها نسبت به سلول های سوختی هیدروژنی آنها متفاوت هستند. موتورهای احتراق داخلی هیدروژنی ماشین تقریباَ نسخه ی اصلاح شده ی موتورهای احتراق داخلی بنزینی هستند . این موتور ها ی هیدروژنی مانند موتورهای احتراق داخلی بنزینی سوخت را می سوزاند.
Francois Isaac de Rivaz در سال 1807 اولین موتور احتراق داخلی هیدروژنی را طراحی کرد.
Paul Dieges در سال 1970 موتور احتراق داخلی اصلاح شده خود را که می توانست همراه بنزین ازهیدروژن نیز به عنوان سوخت استفاده کند.
مزدا تولیدWankel engines را که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کرد توسعه داد . مزیت استفاده از ICE (موتور احتراق داخلی ) مانند Wankel و موتورهای پیستونی ٬ قیمت فوق العاده پایین لوازم آن است.وجود تکنولوژی ICE همچنان می تواند ادامه پیدا کند تا مشکلات مربوط به جاهایی که سلول های سوختی هنوز نمی توانند استفاده شوند حل شود٬ مانند کاربرد در هوای سرد.
جر ثقیل HICE اساساَ نشان داده که در تبدیل موتورهای دیزل داخلی از پاشش (تزریق) مستقیم استفاده می شود.

سلول سوختی

به محض اینکه سلول های سوختی ٬انرژی پتانسیل بالقوه و موثر خود را نشان دادند ٬ و اولین نمونه که توسط Francis Thomas Bacon در سال 1959 وRoger E. Billings در سال 1960 مشغول کار شد ٬ حد اقل چهار مانع فنی و دیگر ملاحظات سیاسی در توسعه و استفاده از پیل های سوختی هیدروژن به وجود آمد.

ارزش سلول های سوختی

معمولاَ ٬ تولید سلول های سوختی هیدروژن گران و شکننده است. مهندسین در مورد چگونگی تولید سلول سوختی ارزان که به قدر کافی در برابر تکان های سخت و ارتعاش ها که همه ی اتومبیل ها آن را تجربه می کنند مطالعه می کنند. همچنین٬ بسیاری از طراحان به ماده های نادری از قبیل پلاتینیوم به عنوان کاتالیزور نیاز دارند تا به طور صحیح کار کنند.همچنین کاتالیزور ها می توانند با ناخالصی های فراورده های هیدروژن آلوده شوند.در چند سال گذشته ٬ به هر حال ٬ کاتالیزور نانو فلز نیکل با قیمت کمتری رشد پیدا کرده است.
قیمت سلول های سوختی اغلب بر اساس USD/kW محاسبه می شود و داده ها در مورد قیمت کم است.
سیستم Ballard Power تنها داده هایی در این مورد منتشر کرده است.قیمت پایه این سیستم در سال 2005 میلادی 73دلار به ازای هر USD/kW(تخمین پایه برای حجم تولید بالا)٬ که آنها گفته اند پیگیر هستند تا قیمت را تا سال 2010 میلادی به 30دلار به ازای هر USD/kWبرسانند.دسترسی به این خواسته متناسب است با موتورهای احتراق داخلی برای استفاده وسیله نقلیه ٬ به ازای هر 100کیلو وات تولید قدرت پیل سوختی 3000دلار تصویب شد.100کیلو وات تقریباَ 134 اسب بخار است.

شرایط بسیار سرد

دماهای زیر انجماد( 32 °F یا 0 °C ) برای سلول های سوختی موجب نگرانی هستند.قابلیت استفاده موثر از پیل های سوختی بستگی به آب اشباع ورودی محیط دارد که اگر دما زیر انجماد نباشد می تواند متبلور شود .بیشتر سلول های سوختی طراحی شده هنوز آنقدر مقاوم نیستند تا در دمای زیر انجماد بتوانند ادامه حیات دهند.جامد منجمد٬ به ویژه قبل از شروع کار٬ نمی توانند کار را شروع کنند .بهر حال اولین چیز متداول ٬ گرما یک محصول ثانوی در فرایند پیل سوختی است ٬ که خواستار نگهداشتن پیل سوختی در دمای موثر کافی برای انجام درست ماموریت است.این شروع عملیات در دمای سرد برای پیل سوختی موجب نگرانی است . مکان هایی مانند کانادا و آلاسکا مکان هایی هستند که دما در آنها به حدود -40c می رسد و به همین خاطر نمی توان از این مدل پیل های سوختی استفاده کرد . Ballard آگهی داده بود که به زودی U.S. DoE's 2010 را که برای هوای سرد طراحی شده که 50% قدرت در 30 ثانیه و در دمای -20 °C کسب می کند را به نمایش می گذارد. ترکیب وسایل پیش گرم امکان دارد کمک کند به کاهش مشکلات اگر افت انرژی در باتری خیلی زیاد نباشد٬ یا به طور متناوب احتراق هیدروژن مانند یک دستگاه احتراق کوچک باشد. راه دیگراین است که باید از نوع دیگری از پیل سوختی استفاده شود که پوسته یی دارد که از یک المان گرما که اغلب به طور آنی گرم می شود استفاده میکند تا به دمای مناسب برای شروع مرحله ی h2 برسد.انواع متفاوتی از پیل سوختی وجود دارد که در دو مقوله ی دما ها و فعل وانفعالات شیمیایی متفاوت هستند. این پوسته باید از طریق باتری ماشین از وقتی که خیلی نازک است به سرعت گرم شود . پوسته ها به زودی فقط در دما های پایین کار می کند.این امر مستلزم یک اگزوس خروجی اضافه برای وقتیکه یک قطعه یخ در پیل سوختی ایجاد انسداد کرده باشد٬ که احتیاج به کمی رسیدگی دارد.
شبیه اوایل خودروهای بنزینی منازعه بین بازده و قابلیت اطمینان است قبل از اینکه در خور کاربرد جهانی باشد٬ همچنان که مجبورند مشکلات سلول های سوختی راحل و ضریب اطمینان را بالا ببرند.از ابتدا موتورهای بنزینی دارای مشخصه ی اتلاف گرمای بیش از حد بوده است و هنوز هم ادامه دارد ٬در حالیکه پیل های سوختی گرمای کمی منتشر می کنند ٬ چرخه ی خود را قبل از شروع به آرامی گرم می کند.

طول عمر

اگر چه طول عمر بستگی به قیمت دارد ٬سلولهای سوختی مجبورند در مورد سالم بودن ماشین با یک طول عمر بیش از 5000 ساعت به عنوان وظیفه بررسی کنند. سلول های چرخه سوخت (Privacy Enhanced Mail) pem دريايي به اين هدف در سال 2004 دست یافتند. طول عمر متداول 7300ساعت در شرایط سیکل است.تحقیقات مخصوصاَ برای کارهای سنگین از قبیل اتوبوس برای اینکه طول عمر به 30000 ساعت برسد ادامه دارد.

3)هیدروژن

هیدروژن به عنوان یک منبع ازلی انرژی مانند سوخت های فسیلی موفق نبوده است ٬اما ابتدا تولید می شود و سپس به عنوان حامل ذخیره می شود ٬ کاملاَ شبیه باتری . هیدروژنی که برای وسایل استفاده می شود لزوماَ منابع انرژی برگشت پذیر یا پرگشت نا پذیر است . پیشنهاد مفید در مقیاس بزرگ گسترش وسایل هیدروژنی این است که به کاهش نشر گازهای گلخانه ای و گسترش اوزن برسیم.
اگر چه پیل های سوختی هیدروژن ٬ گاز CO2تولید نمی کند٬ محصولات هیدروژن برای خودرو معمولاَ ایجاد بیشتر انتشار گازهای گلخانه ای نسبت به ماشین های بنزینی است . تا موقعی که روش هایی برای تولید هیدروژن ایجاد شود تا از سوخت های فسیلی استفاده نشود باید بیشتر تحمل کنیم٬ اخیراَ انرژی های تجدید شدنی فقط درصد کمی از انرژی تولید شده را تشکیل می دهند٬ و نیرو هایی که توسط منابع تجدید شدنی می شود استفاده کرد در وسایل الکتریکی و برای کاربردهای غیر صنعتی است.
رقابت رو در رو برای استفاده از هیدروژن در وسایل شامل تولید٬ذخیره سازی ٬حمل و نقل و توزیع است .هر کدام از اینها مستلزم مقدار خیلی زیاد انرژی و احتیاط برای افزایش ایمنی است . بیشترین راندمان برای هیدروژن ٬ به خاطر اینکه بیشتر این رقابت بیشتر از 25% نمی شود.

تولید هیدروژن ملکولی در وسایل سوختی ضروری است برای وسایل هیدروژنی که میتواند کسب کند از میان متدهای ترمودینامیکی زیاد استفاده از گاز طبیعی٬ زغال سنگ ( از طریق پروسه ی شناخته شده ی تبدیل زغال سنگ به گاز)٬ مایع کردن نفت خام ٬ بیو مس (تبدیل بیومس به گاز) ٬ با پروسه ای به نام ترمو لایسیس (تجزیه شمیایی در اثر حرارت) یا از طریق محصولات زائد میکروبی به نام بیو هیدروژن یا محصولات زیستی هیدروژن . بیشترین هیدروژنی که امروزه تولید می شود از طریق منابع انرژی فسیلی و 85% از هیدروژن تولیدی از استخراج سولفور از بنزین به دست می آید .هیدروژن همچنین می تواند از آب به وسیله عمل الکترولیزیا با تبدیل شیمیایی که به وسیله ی هیدرید شیمیایی یا آلومینیم انجام می گیرد به دست آید. تکنولوژی های متداول برای ساخت هیدروژن از انرژی در فرم های مختلف استفاده می کند٬ در مجموع بین 25% تا50% از ارزش بالای حرارتی سوخت هیدروژنی ٬ برای تولید٬ فشردن یا مایع کردن٬ و فرستادن هیدروژن به وسیله ی لوله و کامیون استفاده می شود. الکترولیز٬ معمولاَ متدی برای تولید هیدروژن با بازده بسیار کم است ٬ فقط 65% تا112% از ارزش بالای حرارتی برای انتقال از چاه به منبع تانک استفاده می شود.

دست آورد محیطی از تولید هیدروژن از طریق منابع انرژی فسیلی شامل انتشار گازهای گلخانه ای است ٬ دست آورد دیگر را باید نتیجه ی بهسازی وجود متانول درون هیدروژن دانست. مطالعه ی مقایسه ی دست آورد های محیطی تولید هیدروژن و استفاده در پیل های سوختی وسایل برای خالص کردن مواد نفتی و احتراق در موتورهای اتومبیل ها باعث پیدا کردن راه هایی برای کاهش اوزون و گاز های گلخانه ای برای هیدروژن می شود .

وسایل هیدروژنی

مطالب مشابه :

گرایش های مهندسی صنایع در مقطع کارشناسی

ساخت وتولید

وسایل هیدروژنی

معرفی رشته مهندسی مکانیک در مقطع کارشناسی ارشد

فلسفه های مدیریت بازاریابی

معرفی رشته مهندسی ساخت و تولید

مهندسی صنایع-تولید صنعتی

معرفی تمام گرایش های رشته ی مکانیک