بخشی از مقاله
چکیده-
پیل سوختی وسیلهای است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقماًی به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در پیل سوختی مواد واکنش دهنده به صورت پیوسته وارد پیل شده و فرآوردهها به صورت پیوسته خارج میشوند. پیل های سوختی انواع مختلفی دارند که در این مقاله، پیل سوختی شبیه سازی شده، پیل سوختی با غشای پلیمری میباشد. این شبیه سازی با نرم افزار کامسول انجام شده است و شبیه سازی به حالت دوبعدی و در حالت پایدار میباشد. دمای عملیاتی که در شبیه سازی این پیل سوختی مورد استفاده قرار گرفته است، 120 درجه ی سانتیگراد میباشد. نتایج این مقاله حاکی از آن است که در طول الکترود کاتد، دانسیته کاهش و فشار افزایش می یابد، همچنین در طول الکترود آند، فشار کاهش و دانسیته افزایش مییابد.
-1 پیلهای سوختی
امروزه، به علت نگرانیهای مربوط به گرم شدن هوا، رشد جمعیت، پیشرفت فناوری و همچنین کاهش سریع منابع نفتی جهان، استفاده از منابع جدید انرژی مورد توجه قرار گرفته است. از جمله موادی که میتواند جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی باشد، هیدروژن است و وسیلهای که با استفاده از آن می-توان از هیدروژن انرژی گرفت، پیل سوختی نام دارد. با توجه به مزیتهایی که هیدروژن نسبت به سوختهای دیگر دارد، شاید بتوان ادعا کرد که عصر آینده، عصر هیدروژن خواهد بود 1]و.[2 پیل سوختی وسیلهای است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقماًی به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
برخلاف باتریها که به علت محدود بودن مقدار مادهی واکنش دهنده در مخزن باتری، پس از مدتی نمیتوانند انرژی لازم را تأمین کنند، در پیل سوختی مواد واکنش دهنده به صورت پیوسته وارد پیل شده و فرآوردهها به صورت پیوسته خارج میشوند، بنابراین پیل سوختی میتواند به صورت پیوسته کار کند. همچنین به دلیل اینکه تبدیل انرژی به طور مستقیم روی میدهد از بازدهی بالایی برخوردار است. در پیل سوختی گاز هیدروژن به عنوان سوخت مصرف شده و از واکنش آن با اکسیژن، علاوه بر انرژی الکتریکی، آب وحرارت نیز تولید میگردد. به عبارت دیگر در این تبدیل، عکس واکنش الکترولیز آب رخ میدهد.
-1-2 مزایا و معایب پیلهای سوختنی
-1-2-1 مزایای پیلهای سوختی
نصب پیلهای سوختی نیروگاهی کوچک موجب کاهش شبکه توزیع و کاهش اتلاف انرژی میشود. سازگاری با محیط زیست؛ زیرا تنها محصول جانبی ایجاد شده در پیلهای سوختی آب است. عدم آلودگی صوتی؛ از آنجایی که در پیلهای سوختی اجزای متحرک وجود ندارد، این وسیله بسیار بیصدا و آرام است.
-1-2-2 معایب پیلهای سوختی
گران بودن؛ از آنجایی که هنوز خطوط تولید پیلهای سوختی وجود ندارد، تولید انبوه آنها بسیارگران است. علاوه بر این، در ساخت این وسایل از برخی مواد گران قیمت - مانند کاتالیست ها - نیز استفاده میشود. ممکن است در مدت طولانی کار، گرما موجب مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی شود. در صورت استفاده از سوخت ناخالص، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در نهایت مسمومیت پیل می گردد .[1]
در بین پیلهای سوختی مختلف، پیلهای سوختی پلیمری به دلیل داشتن مزایایی چون دمای کاری پایین، بازده بالا، چگالی قدرت بالا، الکترولیت پلیمری جامد و شروع به کار سریع، گزینه مناسبی برای استفاده در حمل و نقل و وسایل قابل حمل میباشند. با وجود مزایای زیاد پیلهای سوختی پلیمری، مدیریت دقیق آب در آن ها دشوار است؛ زیرا قابلیت هدایت یونی غشاء پلیمری به شدت به مقدار آب موجود در آن وابسته است؛ لذا لازم است سوخت و اکسید کننده قبل از ورود به پیل سوختی رطوبت زنی شوند. انتقال آب توسط واکنش گرها و تولید آب در کاتالیست کاتد شرایط را برای وجود جریان دو فازی در الکترودها فراهم می کند؛ لذا با افزایش چگالی جریان و تولید بیشتر آب در کاتالیست کاتد، جریان در لایه نفوذی گاز کاتد دو فازی میشود.
در جریان دو فازی، وجود آب در منفذهای الکترودها باعث کاهش سطح موثر انتقال جرم شده و مقاومت در مقابل آن افزایش می یابد. افزایش مقاومت در مقابل انتقال جرم باعث کاهش غلظت واکنشگرها در محلهای واکنش شده و افت فعال سازی در پیل سوختی افزایش می یابد 6]و× .[7 پیلهای سوختی پلیمری به دلیل نوع الکترولیت پلیمری به این نام خوانده میشود، با چگالی توان مناسب 1400 وات بر لیتر جایگزین مناسبی برای موتورهای احتراق داخلی در سیستم حمل و نقل است. این پیل خود براساس سوخت به پیل هیدروژنی و متانولی تقسیم میشود. در حال حاضر نوع هیدروژنی برای سیستم های سنگینتر و با توان بالاتر مانند اتومبیل و اتوبوس و نوع متانولی برای سیستمهای پرتابل و قابل حمل مانند موبایل و لپتاپ به کار میرود 8]و× .[9
-1-3 ساختمان پیل سوختی پلیمری
این پیل از چند لایه تشکیل شده است:
-1-3-1 صفحات دو قطبی - Bipolar Plate -
اولین لایه ی این نوع پیلسوختی، لایه نگهدارنده یا صفحات دوقطبی میباشد. صفحات دوقطبی نقشهای زیادی را در پیلسوختی بازی می کنند. آنها سوخت و اکسیدکننده را در درون پیلسوختی پخش میکنند، پیلها را از هم جدا میکنند، جریان الکتریکی را جمع میکند، آب را به بیرون از هر پیل میبرند، گازها را مرطوب میسازند و سلولها را خنک نگه میدارند. به علت انجام این کارها به صورت همزمان، مواد و طراحی خاصی برای صفحه نیاز است. عموما طراحیهای استفاده شده میتواند شامل شیارها و خطوط جریان مستقیم، مارپیچ، موازی و به هم پیوسته باشد. اغلب صفحات دوقطبی پیلهای سوختی غشاء پلیمری از گرافیت اشباع شده از رزین ساخته میشوند.
-1-3-2 لایه نفوذ گازی - Gas Diffusion Layer -
این لایه از جنس صفحه یا پارچه کربنی متخلخل بسیار ریز میباشد و کار عمده آن پخش سوخت و اکسیدکننده روی لایه الکتروکاتالیست است. همچنین این لایه باید ارتباط الکتریکی بین لایه الکتروکاتالیست و لایههای بعدی را نیز حفظ نماید.
-1-3-3 لایه الکتروکاتالیست - Electro-catalyst Layer -
این لایه در دو سمت کاتد و آند به غشاء پلیمری میچسبد . این لایه در حقیقت از صفحه کربنی و کاتالیست پوشش داده شده برروی آن تشکیل شده است. این لایه دو وظیفه اصلی را بر عهده دارد. -1-3-3-1 شکستن هیدروژن به الکترون و پروتون در سمت آند در دمای معمولی و ترکیب الکترون و پروتون - +H - به آب. × -1-3-3-2 بر عهده داشتن نقش الکترود پیل در رساندن الکترون از سمت آند به سمت کاتد.
-1-3-4 غشاء تبادل پلیمری
الکترولیت به کار رفته در این پیل، غشایی از ماده آلی با خاصیت تبادل یونی از جنس پلیمر اسید سولفونیک آغشته به فلوئور یا پلیمرهای مشابه است. این غشاء آب دوست در حضور آب، تنها اجازه عبور و انتقال بار مثبت را از طول خود میدهد و در نتیجه بار منفی باید از مسیر دیگری عبور نماید. به همین دلیل به این غشاء، غشاء مبادله کننده پروتوننیز میگویند. اساس کار پیلسوختی پلیمری، انتقال یونهای هیدروژن در طول غشاء از آند به کاتد است.
پلیمر رایج این غشاء از نافیون - Nafion - میباشد. ضخامت این غشاء در حدود 50 تا 175 میکرون است. × البته لایه الکتروکاتالیست و غشاء تبادل پلیمری به صورت یکپارچه در پیلها استفاده می شوند و به نام مجموعه غشاء - الکترود نامیده میشوند 9]و× .[10 اساس عملکرد پیل سوختی پلیمری هیدروژنی بسیار ساده است. در سال 1839 ویلیام گروو فیزیکدان و روزنامهنگار انگلیسی، اصول کار پیل سوختی را کشف کرد.
آب به هیدروژن و× اکسیژن با عبور جریان الکتریکی الکترولیز میشود. در واقع عمل الکترولیز عکس شده و هیدروژن و اکسیژن ترکیب شده و جریان الکتریکی تولید میشود. در واقع در یک پیلسوختی، سوخت هیدروژن در یک واکنش ساده سوزانده میشود. بدین صورت به جای انرژی گرمایی آزاده شده، انرژی الکتریکی تولید میشود. اما جریانهای تولید شده بسیار کم میباشند. دلایل اصلی برای این جریانهای کم عبارتند از:
-1 سطح تماس پایین بین گاز، الکترود و الکترولیت.
-2 فاصله زیاد بین الکترودها و الکترولیت که در برابر حرکت جریان الکتریکی مقاومت می کنند.
-1-4 مقایسه عمل الکترولیز و عملکرد پیل سوختی
برای غلبه بر این مشکل از الکترودهای تخت همراه با لایه نازکی از الکترولیت استفاده شد. ساختمان الکترودها متخلخل بوده تا الکترولیت از یک طرف و گاز ازطرف دیگر قادر به نفوذ درآن باشد که این بیشترین تماس ممکن را بین الکترود، الکترولیت و گاز ایجاد میکند. در سمت آند پیل سوختی گاز یونیزه شده و الکترون و یون +H یا پروتون تولید میکند. این واکنش انرژی آزاد میکند. × درسمت کاتد اکسیژن با الکترونهایی که از طریق الکترود آمده و یون +H که از طریق الکترولیت آمده واکنش داده تا آب تولید شود .[9]
به طور آشکار برای پیشرفت هر دو واکنش به طور پیوسته، الکترونهای تولید شده در آند میبایستی از طریق مدار الکتریکی به سمت کاتد بروند. یون +H نیز میبایستی از طریق الکترولیت عبور داده شود. پلیمرهای معینی ساخته شدهاند که قادرند یون +H را عبور دهند اینمواد اصطلاحاً غشاهای تبادل پروتون نامیده می شوند. واکنشهای هیدروژن در آند انرژی آزاد میکند اما آزاد کردن انرژیلزوماً به معنی پیشرفت واکنش با نرخ نهایی نیست چراکه واکنشها یک انرژی کلاسیک دارند. اگر مولکول انرژی کافی نداشته باشد، در نتیجه واکنش به کندی پیش میرود. به غیر از دماهای بالا برای واکنشهای کامل نیاز به اعمال انرژی فعالسازی است که از سه طریق انجام میگیرد.
