پردازنده هاي سوخت چگونه کار مي کنند؟

اگر مقاله مربوط به سلولهاي سوختي (fuel cells) را خوانده باشيد، مي دانيد که اين سلولها از هيدروژن و اکسيژن الکتريسيته توليد و تنها بخار آب ساتع مي کنند. مشکل اصلي سلولهاي سوختي هيدروژني ، ذخيره و توزيع هيدروژن است. براي اطلاعات بيشتر قسمت " how the hydrogen economy works" را ملاحظه بفرماييد.
هيدروژن، گازي با دانسيته انرژي زياد نيست؛ يعني در مقايسه با يک سوخت مايع مثل بنزين يا متانول انرژي کمي در واحد حجم دارد. لذا قرار دادن مقدار کافي هيدروژن در سلول سوختي يک ماشين هيدروژني به منظور طي مسافتي معقول و منطقي دشوار به نظر مي رسد. هيدروژن مايع، دانسيته انرژي خوبي دارد ، اما بايد در دماي بسيار پايين و فشار زياد نگهداري و ذخيره شود که نگهداري و حمل آن را مشکل مي سازد.
سوختهاي رايج و معمولي مثل گاز طبيعي ، پروپان ، بنزين وسوختهاي غير رايج مانند متانول و اتانول ، همه در ساختار مولکوليشان هيدروژن دارند. اگر يک فناوري وجود داشت که هيدروژن را از اين سوختها جدا و از آن براي سوخت رساني به سلول سوختي استفاده مي کرد مي توان گفت مشکل ذخيره و توزيع هيدروژن به کلي برطرف مي شد.
اين فناوري در حال توسعه، پردازنده سوخت يا مبدل (reformer) نام دارد. در اين قسمت مي آموزيم که مبدل گازي (steam reformer) چگونه کار مي کند.
هدف پردازنده هاي سوخت
وظيفه پردازنده هاي سوخت، تأمين هيدروژن خالص وابسته براي سلول سوختي ، با استفاده از يک سوخت است که آماده و دردسترس بوده و براحتي قابل حمل است. پردازنده هاي سوخت بايد قادر باشند که اين عمل را به روش بهينه و کارآمد با کمترين آلودگي انجام دهند؛ در غير اين صورت آنها مزاياي استفاده از سلول سوختي را از بين مي برند.
براي اتومبيلها، مسأله اصلي ذخيره انرژي است.. براي اجتناب از مخزنهاي سنگين و فشرده ، يک سوخت مايع به گاز ارجحيت دارد. شرکتهاي مختلف روي پردازنده هايي براي سوختهاي مايع مانند بنزين و متانول کار مي کنند. بهترين سوختي که در کوتاه مدت توصيه مي شود متانول است. در حال حاضر اين سوخت بسيار شبيه بنزين، ذخيره و توزيع مي شود.
براي خانه ها و ايستگاههاي توليد برق، سوختهايي چون گاز طبيعي و پروپان مناسبترند. بسياري از خانه ها و ايستگاههاي توليد برق قبلاً به منابع گاز طبيعي، لوله کشي و متصل شده اند. بعضي خانه ها نيز که لوله کشي نشده اند ، مخزن پروپان دارند.
بنابراين معقول به نظر مي رسد که اين سوختها را به هيدروژن تبديل کرده تا در سلولهاي سوختي ساکن استفاده شوند.
متانول و گاز طبيعي هردو مي توانند در يک مبدل گازي (steam reformer) به هيدروژن تبديل شوند.


مبدل گازي (steam reformer)
دو نوع مبدل گازي وجود دارد؛ يکي متانول و ديگري گاز طبيعي را بازسازي مي کند.
بازسازي متانول
فرمول مولکولي متانول CH3OH است. هدف مبدل اين است که حداکثر هيدروژن (H) ممکن را از اين مولکول جدا کند طوري که ميزان نشر آلاينده هايي چون کربن مونواکسيد را به حداقل برساند.اين فرآيند با تبخير متانول مايع و آب آغاز مي گردد. گرمايي که در فرآيند بازسازي توليد شده بود، براي اين منظور (تبخير) استفاده مي شود. ترکيب بخار آب و متانول (متانول گازي) از يک اتاقک داغ حاوي کاتاليزگر عبور داده مي شود.
هنگامي که مولکول هاي متانول به کاتاليزگر برخورد مي کنند به مونواکسيد کربن (CO) و گاز هيدروژن (H2) تجزيه مي شوند:
CH3OH => CO + 2H2
بخار آب نيز به گاز هيدروژن و اکيسژن تجزيه مي شود. اين اکسيژن با CO ترکيب مي شود تا CO2 بسازد. با اين روش، مقدار بسيار کمي CO آزاد مي شود چرا که بيشتر آن به CO2 تبديل شده است:
H2O + CO => CO2 + H2
بازسازي گاز طبيعي
گاز طبيعي که بيشترين ماده ترکيبي آن متان(CH4) است ، با عملکردي مشابه پردازش مي گردد. متان موجود در گاز طبيعي با بخار آب واکنش داده و گازهاي مونواکسيد کربن وهيدروژن، آزاد مي کند:
CH4 + H2O => CO + 3H2
همانند عملي که در بازسازي متانول انجام شد، بخار آب به گاز هيدروژن و اکسيژن تجزيه مي شود. اکسيژن با CO ترکيب شده و CO2 حاصل مي گردد:
H2O + CO => CO2 + H2
هيچ کدام از اين ترکيبها ايده آل نيستند؛ مقداري از متانول يا گاز طبيعي و مونواکسيد کربن بدون اينکه واکنش دهند باقي مي مانند. اين مواد در مجاورت يک کاتاليزگر با مقدار کمي هوا(براي تأمين اکسيژن) سوزانده مي شوند. اين عمل، بسياري از ملکولهاي CO باقي مانده را به CO2 تبديل مي کند.
بسياري روشهاي ديگر ممکن است استفاده شود تا آلاينده هاي ديگري همچون گوگرد که ممکن است در گاز اگزوز باشند را پاک کنند.
به دو دليل حذف کردن مونواکسيد کربن از گاز اگزوز اهميت دارد: اول اينکه اگر CO از سلول سوختي عبور کند ، کيفيت عملکرد و طول عمر سلول سوختي کاهش مي يابد . دوم اينکه اين گاز يک آلاينده کنترل شده است که بسياري از ماشينها مجازند تنها مقدار بسيار کمي از آن را توليد کنند.

براي توليد برق، سيستم هاي مختلفي بايد با هم کار کنند تا جريان الکتريکي خروجي را تأمين نمايند. يک سيستم معمولي از يک مصرف کننده الکتريکي (مثل اتاق خودرو يا موتور الکتريکي) يک سلول سوختي و يک پردازنده سوخت تشکيل شده است.
خودرويي که با سلول سوختي کار مي کند را بررسي مي کنيم. وقتي که شما پدال گاز(هيدروژن) را فشار مي دهيد، فعل و انفعالاتي به طور همزمان رخ مي دهند.
● کنترل کننده موتور الکتريکي شروع به برقراري جريان در موتور الکتريکي کرده و موتور الکتريکي نيز گشتاور بيشتري ايجاد مي کند
● در سلول سوختي، هيدروژن بيشتري واکنش مي دهد، الکترونهاي بيشتري توليد شده، در موتور و کنترل کننده الکتريکي جريان مي يابند و نياز بيشتر به انرژي را برطرف مي کنند.
● پردازنده سوخت، متانول بيشتري را درون سيستم - که هيدروژن توليد مي کند- پمپ مي کند. پمپ ديگري جريان هيدروژني را که به سلول سوختي مي رود افزايش مي دهد.
فعل و انفعالات متوالي مشابه اي نيز هنگامي که دراتاق، مصرف انرژي بالا مي رود رخ مي دهد. مثلاً وقتي سيستم تهويه روشن مي شود برق خروجي سلول سوختي بايد سريعاً افزايش يابد وگرنه چراغها کم نور مي شوند تا اينکه سلول سوختي نياز انرژي را تأمين کرده و افت ولتاژ را جبران نمايد.
پردازنده هاي سوخت زيانهايي نيز دارند. زيانهايي همچون آلودگي و تأثير روي بازده کلي.
آلودگي
اگرچه پردازنده هاي سوختي مي توانند گاز هيدروژن را براي سلول سوختي با آلودگي بسيار کمتر از يک موتور درون سوز تأمين نمايند، مقدار قابل توجهي دي اکسيد کربن (CO2) توليد مي کنند. اگرچه اين گاز يک آلاينده کنترل شده نيست، گمان مي رود که در گرم شدن زمين (global warming) نقش داشته باشد.
اگر در يک سلول سوختي هيدروژن خالص استفاده شود ، تنها محصول فرعي آن ، آب (بخار آب) است. CO2 يا هيچ گاز ديگري توليد نمي شود. اما چون خودرو هايي با پردازنده هاي سوخت از سلول سوختي انرژي مي گيرند، مقدار کمي از آلاينده هاي کنترل شده (مثل مونواکسيد کربن) را توليد مي کنند، نمي توان نام وسايل نقليه پاک و غير آلاينده (ZEVs : zero emission vehicles) را با با توجه به قوانين آلودگي کاليفرنيا بر آنها نهاد. هم اکنون فناوري هاي اصلي که تحت عنوان ZEV ها شناخته مي شوند ، خودرو هاي الکتريکي با باتري و خودرو هاي هيدروژني هستند.
به جاي تلاش در جهت بهبود پردازنده هاي سوخت براي حذف آلاينده هاي کنترل شده از آنها، برخي شرکتها روي شيوه هاي جديدي براي ذخيره يا توليد هيدروژن در وسيله نقليه کار مي کنند. Ovonicروي مخزني از جنس هيدريد فلزي کار مي کند تا هيدروژن را مثل اسفنجي که آب را جذب مي کند، جذب کند. با اين وسيله نيازي به مخزنهاي پرفشار نيست و مي توان ظرفيت هيدروژن وسيله نقليه را افزايش داد.

Powerball Technologies درنظر دارد از گلوله هاي پلاستيکي کوچکي که مملو ازسديم هيدريد مي باشند استفاده کند. اين توپها وقتي باز شده و به داخل آب انداخته شوند هيدروژن توليد مي کنند. محصول فرعي اين واکنش سديم هيدرواکسيد مايع بوده که يک ماده شيميايي صنعتي رايج است.
بازده
زيان ديگر پردازنده هاي سوخت اين است که بازده کلي ماشيني که با سلول سوختي کار مي کند را کاهش مي دهند. پردازنده سوختي ازگرما وفشاربراي کمک به انجام واکنشهايي که هيدروژن آزاد مي کنند استفاده مي کند.
بسته به نوع سوختي که به کار مي رود و بازده سلول سوختي و پردازنده سوخت، بهبود بازده روي خودرو هاي بنزيني معمولي به طور آشکار کم است. اين مقايسه بازده هاي ماشين بنزيني و ماشين با سلول سوختي و ماشين برقي را ملاحظه بفرماييد.