مقاله روند پیشرفت سلول‌های سوختی برای زیردریایی‌ها تا سال 2016

بخشی از مقاله

چکیده:

زیردریاییهای غیرهستهای بهطورکلی بر اساس سیستم منبع تغذیه دیزل هستند. دیزل ژنراتور در ترکیب با باتریهای اسید سرب وظیفه تأمین سیستم شبکه زیردریایی را دارند. باتری در طول عملیات روی سطح زیردریایی، با استفاده از لوله اسنورکل - لوله مخصوص ورود و خروج هوا - از هوا بیرون برای بهرهبرداری از موتورهای دیزل استفاده میشود. در عملیات عمق دریا،سابقاً کل برق فضای بسته زیردریایی از باتریهای اسید سرب تأمین میشد که ظرفیت محدود باتریهای اسید در یک دورهنسبتاً کوتاه باعث میشد تا زیردریایی برای شارژ دوباره باتری روی سطح بیاید.  در طی این مدت زیردریایی بهراحتی قابلتشخیص بوده و به همین دلیل است که در دهههای اخیر تلاشهایی زیادی برای توسعه سیستمهای مستقل از هوا برای زیردریایی صورت گرفته است.

الزامات اصلی این سیستمهای مستقل از هوا 1 - AIP - عبارتاند از: چگالی انرژی بالا؛ راندمان بالا، انتقال حرارت کم به آب دریا، سروصدای کم، میدان مغناطیسی کم برای ردیابی، اندازه کوچک، وزن کم، تعمیر و نگهداری راحت و نبود خدمه اضافی؛ اما در راستای این فنآوری پیل های سوختی پلیمری امروزی از تکنولوژی طراحی آبشاری بهره میبرند که تابهحالفنّاوری موفقتری در این زمینه بوده است و اثر آلایندگی نمک طعام برای سلولهای سوختی پلیمری را بهشدت کاهش داده است؛ و درنتیجه تولید گازهای گلخانهای را بهشدت کاهش میدهد. در این مقاله تئوری فنّاوریهای پیل سوختی تا 2016 معرفیشده است و یکی بهترین طراحیها یعنی طرح آبشاری پیشنهادشده است که مزایای زیادی نسبت به بقیه طراحی های رایج دارد.

.1 مقدمه

سلولهای سوختی پلیمری 1 - PEM - انرژی شیمیایی در هیدروژن و اکسیژن را از طریق یک فرایند الکتروشیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. این پیلهای سوختی در اصل، برای استفاده در محیط زیردریایی مناسب هستند. تبدیل انرژی در درجه حرارتنسبتاً پایین 80 - ؛70 درجه سانتیگراد - صورت می گیرد و با راندمان الکتریکی و حرارت گریزی بالا نیازهای تاکتیکی یک زیردریایی مدرن را فراهم می کند. علاوه بر این، سلولها باید ویژگیهایی از قبیل تولید حجم کمی از گازها - گاز هیدروژن و اکسیژن - از عملیات سلول سوختی، چگالی توان بالا ماژول، میدان مغناطیسی کم؛ مقاومت در برابر شوک؛ انطباق با الزامات ایمنی زیردریایی را دارا باشند .[1]

سلولهای سوختی پلیمری برای تأمین انرژی بسیاری از انواع وسایل نقلیه تجاری مانند اتوبوسها، لیفتراکها، موتورهای سبک شهری و قایقها به دلیل مزایای متعدد توسعهیافتهاند 2]؛.[3 در طول دههی گذشته سلولهای پلیمری بیشتر برای تجهیزات زیردریایی 2UVو وسایل نقلیه بدون سرنشین زیر آب - UUVS -  3موردمطالعه قرارگرفتهاند. بهعنوانمثال استقامت در زیر آب یک  UUVبهطور قابلتوجهی افزایشیافته و منبع قدرت خود را از باتری لیتیومی به سلول سوختی تغییر دادهاند 4]؛.[5 علاوه بر اینیک سیستم سلول سوختی بهطور قابلتوجهی توانایی رادار گریزی یک زیردریایی را بهبود و طول مدت مأموریت و استقامت زیر آب را در مقایسه با باتری افزایش داده است 6]؛.[7 در آغاز 1980 گسترش سلولها با سلول اسید فسفریک تحقق یافت.

البته برنامه، ساخت سلولهای قلیایی بود ولی به دلیل پیش رو بودن شرکت زیمنس درفنّاوری سلولهای پلیمری ایده سلولهای پلیمری شکل گرفت. در سال 1988 زیردریایی HDW کلاس 212 A از سلول سوختی 30 KW برای اولین بار استفاده کرد. بالارد برای اولین بار توسعه یک سلول پلیمری را برای تأمین انرژی یک زیردریایی در سال 1989 اجرا کرد. این سلول ها برای تولید 3 KW برای زیردریایی دو نفره PC-14 طراحی شد 7]؛.[8 شرکت ZSW یک پیل سوختی پلیمری برای تأمین نیرومحرکه یک زیردریایی از نوع DEEPC در سال 2002 عرضه کرد 7]؛9؛[10 بهگونهای که برای تولید 3/6 KW با استفاده از هیدروژن و اکسیژن خالص توسط مخازن تحتفشار 300 بار طراحیشده بود که در مدت مأموریت DEEPC با سرعت 7,5 کیلومتر در ساعت 40 ساعت افزایش یافت.

با توجه به شرایط بسیار خاص مانند عملیات در یک فضای بسته، شوک بارها، الزامات صوتی بسیار قوی و نیاز به یک طراحی غیر مغناطیسی، بسیار چالشبرانگیز بود. نوع ذخیرهسازی هیدروژن نیز بهدقت موردبررسی قرار گرفت، با این نتیجه که ذخیرهسازی هیدرید فلزی بهترین انتخاب برای زیردریایی بود، تنها مشکل در مورد این انتخاب این بود که سیلندرهای ذخیره هیدرید فلزی در اندازه آزمایشگاهی در دسترس بودند و به همین ترتیب این سیلندرها بودند که توسعه پیدا کردند. با طراحی منبع ذخیره اکسیژن و هیدروژن صنایع سنگین میتسوبیشی MHI یک سلول پلیمری 4 KW بهعنوان منبع قدرت برای یک AUV بانام - URASHIMA - طراحی کرد 4]؛5؛AUV. [11 در اصل توسط یک باتری لیتیومی تغذیه میشد که در حدود 100 کیلومتر برد داشت.

پس از ارتقا سیستم قدرت به سلول سوختی برد آن به حدود 300 کیلومتر افزایش یافت .[4-5] در اوایل 200 زیمنس دوباره یک پیل سوختی پلیمری پیشرفته برای تأمین نیرومحرکه زیردریایی 212 ارائه کرد .[12] این سلولها با 9 سلول 34 KW زیردریایی را تا سه هفته زیر آب نگه داشت. پسازاین زیمنس دست به تولید سلولهای 120 KW با بازدهی %56 زد .[7-8] یک سلول سوختی در یک فضای بسته که منبع اکسیژن و هیدروژن کافی ندارد قادر به ادامه عملیات نمی باشد، بنابراین عملیات رانش مستقل از هوا - AIP - ضروری است؛ درنتیجه زیردریایی باید هر دو مخزن اکسیژن و هیدروژن را حمل کند. در این مورد اکسیژن خالص به شکل مایع یا بهصورت گاز فشرده ذخیره میشود. در این مقاله ابتدا نحوه ی کارکرد سلول بعد فرآیند پیشرفت قطعات مورد نیاز سلول بررسی می شود که در نهایت طرح آبشاری برای زیر دریایی های نظامی بررسی می شود.

.2 سلول سوختی پلیمری

در سلول سوختی طی فرایندی الکتروشیمیایی هیدروژن و اکسیژن ترکیبشده و در خروجی آب، الکتریسیته و گرما تولید میشود. سلولهای سوختی پیشازاین در صنایع فضایی و خودروسازی مورداستفاده واقعشده و بسیاری آیندهی خوبی را برای این تکنولوژی درزمینهی سامانههای پیشران مستقل از هوا پیشبینی میکنند. در استفاده از این تکنولوژی پیکربندیهای متعددی وجود دارد، اما آنچه در زیردریاییها به کار میرود، از نوع غشا پلیمر الکترولیت یا PEM است؛ چراکه اتلاف گرمایی آن بسیار پایین 80 - درجه سانتیگراد - است. در یک سلولPEM ، هیدروژن تحتفشار از سمت آند وارد سلول میشود و در آنجا به کمک کاتالیزوری پلاتین یومی هر جفت مولکول هیدروژن به چهار یون و چهار الکترون آزاد تجزیه میگردد.

الکترونهای آزادشده، آند را بهسوی مداری خارجی ترک کرده و ایجاد جریان مینمایند. در همین حین و در سوی کاتد مولکول اکسیژن به کمک کاتالیزور به دو اتم مجزا شکسته میشود، الکترونهای خارجشده از آند در طول مدار به سمت کاتد جاری میشوند تا در واکنشی دیگر جهت تکمیل پوستهی الکترونی محصول واکنش یعنی آب، شرکت داده شوند . غشا پلیمری بین آند و کاتد مانع از عبور الکترونها میشود؛ اما یونهای مثبت هیدروژن بهراحتی از آن به سمت کاتد حرکت میکنند تا از طریق برقراری پیوند با اتمهای اکسیژن تولید آبنمایند . مزیت اصلی سلولهای سوختی این است که خروجی اگزوز آن آب خالص است.

ازآنجاکه هر سلول سوختیمعمولاً تنها 0/7 ولت DC را تولید مینماید، فلذا برای دستیابی به ولتاژهای بالاتر لازم است تعدادی معین از سلولها را سری کرد و برای دستیابی به جریان بیشتر باید سلولها را بهصورت موازی به یکدیگر متصل کرد. پیل سوختی PEM نیازمند هیدروژن خالص است؛ بنابراین باید از یک رفورمر در خارج از پیل سوختی استفاده کنیم تا احتمال به وجود آمدن کربن مواکسید CO کاهش داده و درنتیجه مسمومیت کاتالیست را کاهش دهیم. از ویژگیهای کلی این نوع از سلولها راهاندازی سریع و آسان در مدار قابلیت تولید توانهای بالا در دماهای کمتر از 100 درجه دمای کارکرد بین 50 تا 85 درجه سانتیگراد.