بخشی از مقاله
بررسی کاربردی استفاده از پیل های سوختی در زیر سیستمها و اجزای خودروهای هیبریدی
چکیده :
با توجه به بحران انرژی و محیط زیست در عصر حاضر ، نیاز به تولید انرژی های پاک ارزان قیمـت روز بـه روز بیشتر احساس می گردد. در همین راستا پیل هیدروژنی به عنوان منبعی برای تولید انرژی می تواند مورد توجه قرار گیرد که علاوه بر در دسترس بودن سوخت اولیه آن ، محصولات تولید شده توسط این پیل شامل بخار آب و انرژی الکتریکی است که به محیط زیست آسیب نمی رساند به عـلاوه بـازده انـرژی آن از موتورهـایی کـه بـا ﺳﻮﺧﺖ فسیلی کار می کنند بیشتر است . در واقع پیلهای هیـدروژنی فـن آوری جدیـ دی بـرای تولیـ د انـرژی هستند که بدون ایجاد آلودگیهای زیست محیطی و صـوتی ، از ترکیـ ب مسـتقمی بـ ین هیـدروژن و اکسـیژن( واکنش الکترو شیمایی) ، انرژی الکتریکی تولید میکنند.
پیل هیدروژنی در واقع یک مبدل انرژی شیمیایی بـه انـرژی الکتریسـیته اسـت. ایـن تبـدیل مسـتقیم بـوده و بنابراین از بازدهی بالایی برخوردار است. در واقع می توان گفت که در این تبدیل از عمـل عکـس الکترولیـز آب استفاده می گردد. یعنی از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید میگردد. پیل هـای سوختی متشکل ازتعدادی استاک هستند و هر استاک در پیلهای سوختیجزءازا آنُد، کاتُـد، لایـه هـای عـایق ﻭﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻟﻴﺖ تشکیل شده است. تولید مستقیم الکتریسیته جـا یگزینی بـرایچرخـه کـارنو جهـت تبـدیل انـرژی شیمیایی حاصل از سوخت به انرژی گرمایی و مکانیکی و در نهایت الکتریسیته میباشد که اتـلاف انـرژی را بـه حداقل ممکن میرساند و به بازده تئوری بالایی دست پیدا میکنیم.
در حال حاضر تعداد زیادی از محققان در جهان روی جنبههای مختلف پیل هیـدروژنی، جهـت بهبـود خـواص پیل کار میکنند و در این مورد کار برروی خـواص الکترودهـا و الکترولیـت کـه مهـم تـرین قسـمتهـای پیـل میباشند در حال اجراست و درضمن در مورد عناصر و مواد تشکیل دهنده جهت بهبود کارایی در حال مطالعـه می باشند. در این مقاله سعی گردیده است با مروری برانواع روشهای ساخت این پیل ها به نحـوه بکـارگیری از آنها در خودروها نیز بطور اجمالی پرداخته شود.
واژههای کلیدی: فیوسل ،سوختهای پاک، انرژی
-1 مقدمه
بحران انرژی یکی از مسائل مورد توجه جامعه امروزیست . سوخت های فسیلی که تاکنون موردنیاز بشر بوده اند ، رو به اتمام است و ازطرفی این سوخت ها ، آلوده کننده محیط زیست بوده و راندمان پایینی دارند. از این رو بشر به دنبال پیدا کردن سوختی مناسب و ارزان به عنوان جایگزین سوخت های فسیلی است . اولین پیل سوختی در سال 1839 با الکترولیت اسید سولفوریک ، ساخته شد . پیل سوختی یا فیوسل، دستگاهی است که می تواند انرژی شیمیایی را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل کند . در واقع عکس الترولیز آب در پیل سوختی رخ می دهد . تفاوت پیل سوختی با باتری در این است که پیل سوختی ، احتیاج به شارژ ندارد و به طور پیوسته تا زمانی که سوخت تامین شود ، به کار خود ادامه می دهد . یک پیل سوختی ساده ، مقدار کوچکی جریان برق تولید می کند که در عمل، برای به دست آوردن انر ژی مورد نیاز خود، چند پیل را به صورت سری روی هم سوار می کنیم. تعداد فیوسل ها تعیین کننده ولتاژ کلی پیل سوختی است و مساحت سطح آن تعیین کننده جریان کلی پیل سوختی است . پیل های سوختی (فیوسل ها ) یکی از منابعی هستند که با تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی ، جایگزینه مناسبی برای سوخت های فسیلی هستند . یک پیل سوختی، مقدار کوچکی جریان برق تولید می کند که برای به دست آوردن انرژی مورد نیاز خود ، چند پیل را به صو رت سری روی هم سوار می کنند . تعداد فیوسل ها تعیین کننده ولتاژ کلی پیل سوختی است.
-2 انرژی هیدروژن و پیل سوختی
مجموعه ای از عوامل مختلف از جمله محـدودیت منـابع فسـیلی، تأثیرات منفـی زیسـت محیطـی، بهـره گیـری از منـابع هیـدروکربنی، افزایش قیمت سوختهای فسیلی، منازعـات سیاسـی و تـأثیرات آن بـر روی ارائــه انــرژی پایــدار از جملــه دلایلــی هســتند کــه بســیاری از سیاســتمداران و متخصصــین مباحــث انــرژی و محــیط زیســت را در حرکت به سوی ایجاد ساختاری نوین مبتنـی بـر امنیـت ارایـ ه انـرژی، حفظ محیط زیست، ارتقاء کارایی سیستم انرژی وادار نموده است.بـر این اساس هیدروژن یکی از بهترین گزینهها جهت ایفای نقـش حامـل انرژی در این سیستم جدید ارائه انرژی میباشد.
هیدروژن به عنوان فراوان ترین عنصر موجود در سـطح زمـین بـه روشهای مختلف قابل تولید میباشد .در یک سیستم ایده آل انرژی بر پایه هیدروژن با هدف تأمین امنیت ارائه انرژی، حفظ محیط زیسـت و ارتقاء کارایی سیستم انرژی، هیدروژن از الکتریسیته تولیـدی از منـابع تجدیدپذیر نظیر باد، خورشید، زمین گرمایی و نظایر آن تولید شـده و پس از ذخیره سازی و انتقـال بـه محـلهـای مصـرف، در کاربردهـای مختلف از جمله تجهیزات الکترونیکـی کوچـک (میلـی وات) ، صـنعت حمل و نقل و صنایع نیروگاهی قابل بکارگیری است .بـا ایـن رویکـرد بسیاری بر این باورند که سـوخت نهـایی بشـر هیـدروژن بـوده و بشـر درآیندهای نه چندان دور عصر هیدروژن را تجربه خواهد نمود.
از جمله ویژگیهایی کـه هیـدروژن را از سـایر گزینـههـای مطـرح سوختی متمایز مینماید، میتوان به فراوانی، مصرف تقریباً منحصر بـه فرد، انتشار بسیار ناچیز آلاینده ها، برگشت پذیر بودن چرخه تولیـد آن
ﻭ کاهش اثرات گلخانهای اشاره نمود. سیستم انرژی هیدروژنی به دلیل استقلال از منابع اولیه انرژی سیستمی دایمی، پایدار، فناناپذیر، فراگیر تجدیدپذیر میباشد و پیش بینی میشود که در آینده ی نـه چنـدان دور تولید و مصرف آن به عنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهـانی
سرایت نموده و اقتصاد هیدروژنی تثبیـت شـود؛ بـا ایـن وجـود نبایـد انتظار داشت که هیدروژن در بدو ورود از نظر قیمتـی بتوانـد بـا سـایر حاملهای انرژی رقابت نماید .در آینـده هیـدروژن و پیلهـای سـوختی می توانند نقش محوری و کنترل کننـدگی در آلـودگی شـهرها داشـته باشند.عمل تبدیل انـرژی شـیمیایی موجـود در هیـدروژن بـه انـرژی الکتریکی توسط پیل سوختی انجام میپذیرد که متناسب بـا کـاربرد و خواص ساختاری آنها، پیل های سوختی خود به انـواع مختلـف تقسـیم میشوند .در واقع اهمیت فناوری پیل سوختی در یک سیستم انـرژی بر پایه هیدروژن (عصر هیدروژن)به گونه ای است که بسـیاری آنـرا بـه لوکوموتیو قطار توسعه عصـر هیـدروژن تشـبیه نمـودهانـد عـلاوه. بـر فناوری پیـل سـوختی بـه عنـوان مصـرف کننـده هیـدروژن در عصـر هیدروژن، فن اوریهای تولید، ذخیره سازی، عرضه و انتقال هیدروژن نیز از اجزاء اصلی ساختار انرژی این عصر خواهند بود.
-3 مشخصات عمومی پیل های سوختییا فیوسـل هـا : بطور کلی از مهمترین و شاخص ترین مشخصات این پیل ها این اسـت که نخست فیوسل ها بدون سوخت بکار مـی رونـد بنـابراین آلـ ودگی ندارند و دوم اینکه فیوسل ها قسمت متحرک نداشته و به عنـوان یـک منبع کاملا ساکن قابل اطمینان بشمار می روند .
اجزای تشکیل دهنده فیوسل ها عبارتند از:
- آند یا همان الکترود منفی : از آند برای دفع پروتون ها اسـتفاده می شود. در واقع وظیفه آند در پیل سوختی اسـت کـه هیـدروژن در آند جاری شود. پوشش پلاتین آندی به تفکیک گاز از پروتون ها(یـون های هیدروژن) والکترونها کمک میکند.
- الکترود مرکزی : الکترود مرکزی که کنار فیوسل ها مـی باشـد اجازه گذر پروتون ها از طریق الکترولیت کاتد را می دهد الکتـرون هـا نمی توانند ازمیـان ایـن الکترولیـت گـذر کننـد بلکـه از طریـق مـدار خارجی که به شکل جریان برق می باشـد عبـور مـی کننـد کـه ایـن جریان می تواند انرژی بار الکتریکی باشد مانند نور چراغ یا هر مصـرف کننده دیگر
-کاتد(الکترود مثبت برای جذب پروتـون هـا): اکسـیژن از طریـق کاتد فیوسل جاری می شـود وپوشـش پلاتینـی دیگـری کـه در ایـن قسمت قرار دارد به اکسیژن پروتونها والکترونهای ترکیبی بـرای تولیـد گرما و آب خالص کمک می کند.
فیوسل میتواند متشکل از یک دسته (انباشته یا طبقه ) از فیوسل ها باشد که تعداد فیوسل ها تعیین کننده ولتاژ کلـی پیـل سـوختی و
مساحت سطح آن پیل تعیین کنندهجریـان کلـی پیـل سـوختی یـا فیوسل می باشد واز ضرب جریان در ولتاژ می توان توان تولیدی پیـل سوختی را بدست آورد.
نقش الکترولیت در پیل سوختی: در این پیل ها الکترولیت نقـش کلیدی را ایفا می کند الکترولیت فقط اجازه عبور یونهای مناسب مورد نظر بین کاتد وآند را می دهد واگر الکترونهـای آزاد یـا مـواد دیگـری بتوانند از بین این الکترولیت عبور کنند می توانند واکنش شیمیایی را از هم بگسلند وباعث از بین رفتن پیل سوختی شوند
تا زمانی که پیل سوختی از نظر هیـدروژن واکسـیژن تـامین شـود الکتریسیته تولید خواهد کرد بـا توجـه بـه اینکـه پیـل هـای سـوخت ی بصورت شیمیایی تولید برق می کنند محدودیت قـوانین ترمودینامیـک را که در واحد های تولید قدرت مرسوم است ندارند بنابراین پیـلهـای سوختی دارای بازده بیشتری در تولید انرژی الکتریکـی هسـتند اصـول کار پیل سوختی آسان اما ساخت آن در عمل با بازده بالا پیچیده است .
تعداد فیوسل ها در هر سیستم پیل سـوختی نشـان دهنـده ولتـاژ کلی پیل وسطح مقطع هر فیوسل نشان دهنده جریـان کلـی آن اسـت وهمانطور که می دانیم از حاصلضرب جریان در ولتاژ تـوان را مـی تـوان بدست آورد.
از هیدروژن به عنوان سوخت فیوسل هـا اسـتفاده مـی شـود زیـرا هیدروژن به دلیل عدم آلایندگی محیط زیست، عدم تولیـد دی اکسـید کربن ودر نتیجه عدم تاثیر در گرم شدن کره زمین چگالی بـالا وامکـان استفاده در مصارف گوناگون به عنـوان سـوخت هـای مصـرف شـده بـه عنوان سوخت در فیوسل ها مورد استفاده قـرار گرفتـه اسـت همچنـین روش های تولید هیدروژن بسیار آسان وجز منابع تجدید پذیر به شـمار می آید .
-4 روش های تولید هیدروژن
بطور کلی روشهای مختلفی برای تولید هیدروژن وجود دارد که در پنج دسته زیر خلاصه می شود :
.1 تبدیل سوخت های فسیلی به هیدروژنبـا دو روشمبـدل گـاز طبیعی از نوع سیستم بخار و مبدل هیدروکربن ها با روش اکسیداسـون جزیی
2 . الکترولیز آب
3. روش فتوالکتروشیمیایی
4. روش بیولوژیکی
5. تجزیه حرارتی آب با درجه حرارت بالغ بر 30000درجه
-5 فاکتور های کیفیت پیل های سوختی
.1 خلوص سوخت : با توجه به اینکه سـوخت عمـده فیوسـل هـا هیدروژن است لذا بدیهی است که هر چه میزان خلوص هیـدروژن وارد شده به سیستم بیشتر باشد سیستم کـارایی بهتـر ودر ﻧﺘﻴﺠـﻪ رانـدمان بالاتری را خواهد داشت .
. 2 مقدار هوا : بسته به شرایط متاثر بر فیوسـل مقـدار هـوا مـی تواند کم یا زیاد شود اگر به این نکته توجه نکنیم در کمتر زمان ممکـن پیل سوختی خراب یا به طور کامل از بین می رود در شرایط فشـاربـالا پیل سوختی قاعدتا به هوای کمتـری احتیـاج خواهـد داشـت چـرا کـه گنجایش آن تا حد از پـیش تعیـین شـده ای اسـت وطبعـا در شـرایط اتمسفری فشار پایین پیل هوای بیشتری را در خود جا می دهد.
.3 سوخت ورودی به پیل سوختی : بـا توجـه بـه نـوع سـوخت فیوسل ها که در اکثر سیستم ها هیدروژن است باید به این نکته توجـه داشت که این سوخت تحمیلی به فیوسل تا چند درصد با آند پیـل وارد واکنش شده وبه یونها ی سازنده اش تفکیک مـی شـود چـون رانـدمان سیستم رابطه مستقیمی با میزان تفکیک یونی سوخت اعمالی دارد .
از دیگر فاکتور های تاثیر گذار بر عملکرد پیل سوختی می توان بـه رطوبت گاز ومدیریت آب کنترل دما وفشار گازها در سیستم اشاره کرد .
سه قسمت عمده از تجهیزات پیل سوختی
1. بخش سوخت رسانی(مبدل سوخت وسیستم ذخیره هیدروژن)
2. بخش تولید انرژی(سری پیل سوختی وسیستم کنترل)
3. بخــش تبــدیل انــرژی(فصــل مشــترک بــین پیــل ســوختی ومصرف کننده برق)
همه این بخش ها بسته به نوع کـارکرد پیـل سـوختی مـی تواننـد ساده ویا پیچیده باشند
تفاوت بین پیل های سوختی و باتری بطور کلی پیل سوختی دستگاهی است الکتروشیمیاییکـه انـرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی را به انزژی الکتریکی تبـدیل مـی کنـد . تبدیل انـرژی در پیـل سـوختی تبـدیل مسـتقیم انـرژی شـیمیایی بـه انرژی الکتریکی است. عملکرد پیـل سـوختی ماننـد بـاتری نیسـت کـه انرژی را ذخیره کند بلکه در پیل سـوختی حـالتی از انـرژی بـه حالـت دیگر در می آیـد بطوریکـه در ایـن تبـدیل مـواد داخـل پیـل مصـرف نمی شود همچنین چگالی انرژی بـاتری کمتـر از پیـل سـوختی اسـت وفرآیند شارژ نمودن باتری بسیار پیچیده تر از پر کردن مخزن سـوخت پیل های سوختی میباشد
-6 انواع پیل های سوختی
بطور کلی پیل های سوختی به دو دسته عظیم پیلهـای سـوختی دما بالا و دما پایین تقسیم می شوند در زیر بـه شـرح ایـن دو دسـته پرداخته می شود.
(1 پیل های سوختی دما بالا شامل :
.1-1 پیل سوختی اکسید جامد(( solid oxid fule cells
.2-1 پیـل ســوختی کربنـات مــذاب (molten carbonate fule
cells)
.3-1 پیل سوختی اسید فسفریک
(2پیل های سوختی دما پایین شامل:
.1-2 پیل سوختی قلیایی
.2-2 پیل های سوختی پلیمری
.3-2 پیل سوختی متانولی
. 4-2پیل سوختی بیولوژیکی
-7 کاربردهای پیل سوختی در خودروهای هیبریدی
این پیل ها به دو شکل مختلف در خودروها به کار گرفته می شود :
1. تولید هیدروژن در خودرو با استفاده از مبدل سوخت
2. تولید هیدروژن در خارج از خودرو و ذخیره هیدروژن در خودرو در صورتی که هیدروژن در جایگاه
