ما هو وقود الهيدروجين
وقود الهيدروجين هو وقود عديم الانبعاثات عندما يتم حرق الأكسجين.
يجب أن يكون الطلاب المهتمون بالكيمياء قد تعرفوا بالتأكيد على مصطلح الهيدروجين. هنا سنناقش وقود الهيدروجين. يدرك معظمنا حقيقة أن العنصر الفريد للهيدروجين له العديد من أوجه التشابه مع كل من الهالوجينات والمعادن القلوية. تزداد شعبية وقود الهيدروجين يومًا بعد يوم بسبب إنتاج كمية كبيرة من الحرارة بواسطة هذا الوقود عند الاحتراق.
قد تكون خلية وقود الهيدروجين حقيقة مدهشة لمعظمنا لمعرفة أن هذا الوقود يمكن أن يطلق المزيد من الطاقة مقارنة بالديزل أو البنزين. مما يعني أن خلية وقود الهيدروجين لديها كفاءة ثلاث مرات تقريبًا عن البنزين. أيضًا ، يتم إنتاج ملوثات أقل من احتراق هذا الوقود مقارنة باستخدام البنزين.
الهيدروجين هو الوقود الرئيسي ، لكن خلايا الوقود تتطلب الأكسجين. تتمثل إحدى النداءات الرئيسية لخلايا الوقود في أنها تولد الكهرباء مع قدر ضئيل جدًا من التلوث - حيث يتحد الكثير من الهيدروجين والأكسجين المستخدم لتوليد الكهرباء في نهاية المطاف لتشكيل منتج ثانوي غير ضار ، وهو الماء. تحتوي كل خلية وقود أيضًا على إلكتروليت يحمل جزيئات مشحونة كهربائيًا من قطب كهربائي إلى آخر ، ومحفز يسرع تفاعلات القطب.
تعريف خلايا وقود الهيدروجين
تُظهر خلايا وقود الهيدروجين كيف تعمل خلايا الوقود هذه ، وكيف نشأت وكيف يتم استخدامها على نطاق أوسع.
يحتوي الوقود على أكاسيد النيتروجين كمواد ملوثة لأن الهيدروجين يستخدم النيتروجين كشوائب (هنا نتحدث عن جزيء الهيدروجين وليس الذرة). يمكن تقليل التلوث إذا تمت إضافة القليل من الماء إلى الحاوية لتقليل درجة الحرارة. هذا من شأنه أن يردع التفاعل بين الأكسجين والنيتروجين.
مقارنة بخزان البنزين الذي يحتوي على الوقود ، فإن أسطوانة غاز الهيدروجين في شكل مضغوط تزن أعلى بكثير. لتبريد غاز الهيدروجين إلى حالة سائلة ، يجب خفض درجة الحرارة عند 20 كلفن بسبب هذه القيود ، من الصعب جدًا استخدام هذا الوقود بكفاءة. ومن ثم ، يقوم الخبراء حول العالم بإجراء باحثين لإيجاد طرق حول كيفية استخدام هذا الوقود بطريقة بسيطة في المستقبل.
شرح خلية وقود الهيدروجين
تعتبر خلايا الهيدروجين والوقود (FCs) غير قابلة للانفصال عادةً لأن FCs التي تعمل بالوقود الهيدروجيني تتمتع بأفضل أداء وأقل تأثير على البيئة من بين FCs. الهيدروجين (مثل الكهرباء) ليس مصدرًا أساسيًا للطاقة ، ولكنه بالأحرى ناقل للطاقة. لا توجد خزانات هيدروجين طبيعية ونقية. يمكن تحليل الماء كهربائيا في عكس تفاعل خلية الوقود لإنتاج الهيدروجين. من أجل إجبار التحليل الكهربائي على الحدوث ، هناك حاجة إلى كميات كبيرة من الكهرباء ، والتي يتم توليد الكثير منها حاليًا عن طريق حرق الوقود الأحفوري.
ومع ذلك ، ليست كل خلايا وقود الهيدروجين مخصصة للمركبات. كانت خلايا الوقود الثابتة لتوليد الكهرباء قيد التطوير لعقود من الزمن. يمكن أن تتضمن بعض تطبيقات خلايا الوقود للمباني السكنية أو التجارية توليد الكهرباء من مدخلات الوقود مثل الغاز الطبيعي أو الهيدروجين واستخدام الحرارة المهدرة من تلك العملية لتدفئة المبنى.
تدخل ذرات الهيدروجين خلية وقود عند الأنود حيث يتم تجريدها من إلكتروناتها بواسطة تفاعل كيميائي. ذرات الهيدروجين الآن "متأينة" ولها شحنة كهربائية موجبة. توفر الإلكترونات سالبة الشحنة التيار للعمل من خلال الأسلاك. إذا كان التيار المتردد (AC) مطلوبًا ، فيجب توجيه خرج التيار المستمر لخلية الوقود من خلال جهاز تحويل يسمى العاكس.
عادة ما يشار إلى مصدر الهيدروجين بالوقود ، وهذا يعطي اسمه لخلية الوقود ، على الرغم من عدم وجود احتراق. بعد ذلك ، تحدث أكسدة الهيدروجين بطريقة فعالة للغاية ، كهروكيميائية. تتفاعل ذرات الهيدروجين مع ذرات الأكسجين لتكوين الماء أثناء الأكسدة ؛ يتم إطلاق الإلكترونات في العملية وتتدفق كتيار كهربائي عبر دائرة خارجية.
خلية الوقود هي نظام كهروكيميائي يجمع بين الهيدروجين والأكسجين لتوليد الطاقة ، مع المنتجات الثانوية للماء والحرارة. تتكون خلية الوقود المفردة ، في أبسط أشكالها ، من قطبين - قطب موجب وقطب كاثود - مع إلكتروليت بينهما. يتفاعل الهيدروجين مع محفز في الأنود ، وينتج أيون موجب الشحنة وإلكترونًا مشحونًا سالبًا.
إنتاج وقود الهيدروجين
نظرًا لعدم توفر الهيدروجين النقي بشكل طبيعي بكميات كبيرة على الأرض ، فإنه يتطلب طاقة أولية للحصول على المستوى الصناعي. بعض طرق الإنتاج الشائعة هي إصلاح الميثان بالبخار والتحليل الكهربائي.
الإنتاج من خلال إصلاح بخار الميثان -
استخلاص الهيدروجين من الميثان
تحرير ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون في الغلاف الجوي
تساعد هذه الغازات في ظاهرة الاحتباس الحراري وتساهم في تغير المناخ.
الإنتاج من خلال التحليل الكهربائي -
فصل ذرات الأكسجين والهيدروجين.
يمكن أن تستخدم هذه العملية الطاقة الشمسية ، والطاقة المائية ، والكتلة الحيوية ، وطاقة الرياح ، والطاقة الحرارية الأرضية ، والوقود الأحفوري ، والطاقة النووية.
إنها طريقة فعالة من حيث التكلفة.
اقتصاد الهيدروجين
يشير مصطلح "اقتصاد الهيدروجين" أو "اقتصاد الهيدروجين" إلى رؤية استخدام الهيدروجين كمصدر طاقة منخفض الكربون. على سبيل المثال ، استبدال الغاز الطبيعي كوقود للتدفئة أو البنزين كوقود للنقل.
الفائدة الرئيسية من هذا المخطط هي أن نقل الطاقة يتم على شكل هيدروجين بدلاً من الطاقة الكهربائية.
في الوقت الحاضر ، يتم استخدام هذا الوقود عن طريق مزجه مع غاز CNG لتحسين كفاءته. ومن المتوقع أن يتم استخدامه على نطاق أوسع في السنوات القادمة. يستخدم هذا الوقود أيضًا في خلايا وقود الهيدروجين لتوليد الكهرباء.
ما هي استخدامات وقود الهيدروجين
يمكن أن يوفر وقود الهيدروجين الطاقة للسيارات ، والطائرات ، والقوارب ، وتطبيقات خلايا الوقود الثابتة أو المحمولة ، والتي يمكنها تشغيل محرك كهربائي. من الصعب جدًا تخزين الهيدروجين في الخزان المبرد أو الخزان عالي الضغط وهي المشكلة الرئيسية لاستخدام خلية وقود الهيدروجين في السيارات.
وهكذا ناقشنا وقود الهيدروجين وأهميته واستخداماته للرجل العادي. دعونا نأمل أن يتم استخدام هذا الوقود قريبًا في منازلنا بطريقة اقتصادية خلال السنوات القادمة.
مزايا وقود الهيدروجين:
عند حرق الهيدروجين ، ينبعث منه بخار الماء فقط ،
عندما يتم حرق الهيدروجين فإنه لا ينتج ثاني أكسيد الكربون.
يزيل الهيدروجين القليل من تلوث أنبوب العادم ويعتبر أقل تلوثًا.
لديه القدرة على تشغيل محرك يعمل بخلايا الوقود عند مقارنته بمحرك الاحتراق الداخلي.
الأسئلة الشائعة حول خلايا الوقود
ما هو الهيدروجين وخلايا الوقود؟
خلايا ماء الهيدروجين. تجمع خلية الوقود بين الكهرباء والحرارة والماء لتوليد الهيدروجين والأكسجين. في بعض الأحيان ، تتنافس خلايا الوقود مع البطاريات. كلاهما يحول الطاقة التي ينتجها تفاعل كيميائي إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام.
ما مدى كفاءة خلية وقود الهيدروجين؟
عندما يتم تشغيل خلية الوقود بواسطة الهيدروجين النقي ، فإن لديها القدرة على أن تكون فعالة بنسبة تصل إلى 80 في المائة. أي أن 80 في المائة من محتوى طاقة الهيدروجين يتم تحويله إلى طاقة كهربائية. إذن لدينا كفاءة 80 بالمائة في إنتاج الكهرباء وكفاءة 80 بالمائة تحويلها إلى طاقة ميكانيكية.
ما مقدار الطاقة التي تنتجها خلية وقود الهيدروجين؟
تعتمد الطاقة التي تنتجها خلية الوقود على عدة عوامل ، بما في ذلك نوع خلية الوقود والحجم ودرجة الحرارة التي تعمل بها والضغط الذي يتم فيه إمداد الغاز. تولد خلية وقود واحدة حوالي 1 فولت أو أقل - بالكاد ما يكفي من الكهرباء حتى لأصغر التطبيقات.
ما هي مزايا خلية وقود الهيدروجين؟
خلايا وقود الهيدروجين أنظف وأكثر قوة من المحركات التقليدية ومحطات الطاقة القائمة على الاحتراق. يمكن استخدام خلايا الهيدروجين والوقود لقيادة السيارات وحزم الطاقة المتنقلة في تطبيقات الهاتف أيضًا. فوائد خلايا الوقود هي: تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
ما نوع التفاعل خلية وقود الهيدروجين؟
خلية وقود الهيدروجين هي خلية كهروكيميائية تنتج تيارًا يمكنه العمل باستخدام تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي. رد الفعل الصافي لهذا هو طارد للحرارة. إن الجمع بين إمكانات نصف الخلية للتفاعل الكهروكيميائي يخلق إمكانات إيجابية للخلايا.
ما هي عيوب خلايا وقود الهيدروجين؟
على هذا النحو ، يلعب الهيدروجين دورًا مهمًا في المستقبل كبديل للبترول المستورد ، المستخدم حاليًا في السيارات والشاحنات ، لكن له العيوب التالية. على الرغم من استخدام خلايا الهيدروجين لتشغيل السيارات الهجينة ، إلا أنها لا تزال مصدرًا غير قابل للتطبيق للوقود للجميع. إنه مكلف.