up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله فناوري پيل هاي سوختي PDF
QR code - فناوري پيل هاي سوختي

فناوري پيل هاي سوختي

فناوري پيل هاي سوختي و کاربرد آن در خودرو

پيل سوختي، بهترين پيشنهاد براي جايگزيني بنزين است. اين سيستم ها فاقد هرگونه آلودگي و اجزاي متحرک هستند. بازده پيل هاي سوختي افزون بر ۳ برابر موتورهاي درونسوز است. اکثر انواع پيل سوختي، از هيدروژن به عنوان منبع تجديد پذير استفاده مي کنند. کاربرد پيل هاي سوختي، وابستگي به منابع محدود سوخت هاي فسيلي را کاهش مي دهد. ديگر مزاياي آن در اين مقاله تشريح خواهد شد.
پيل سوختي از گذشته تا حال
در ۱۸۳۹، ويليام گرو۱ فيزيکدان و روزنامه نگار انگليسي، اصول کار پيل سوختي را کشف کرد. وي از ۴ پيل بزرگ که هر يک داراي ظرفي حاوي هيدروژن و اکسيژن بود، با هدف توليد الکتريسيته استفاده کرد. الکتريسيته حاصل، آب را در ظرفي کوچک تر به اکسيژن و هيدروژن تبديل مي کرد. سابقه توليد پيل سوختي به ۱۸۸۹ باز مي گردد. در اين سال، اولين پيل سوختي توسط لودويک من۲ و چارلز لنجر۳ ساخته شد. در اوايل قرن بيستم، تلاش هايي در زمينه توسعه پيل سوختي صورت گرفت. در ۱۹۵۵ پيل سوختي قليايي ۵ کيلوواتي ساخته شد.
از سال ۱۹۶۰ به بعد، سازمان فضايي امريکا (ناسا) از پيل هاي سوختي در سفينه هاي «جيميني» و «آپولو» به منظور توليد الکتريسيته و تهيه آب مورد نياز فضانوردان، استفاده کرد. طي دهه ۷۰، فناوري پيل سوختي در وسايل خانگي و خودرو به کار گرفته شد. اولين خودروي مجهز به پيل سوختي در ۱۹۷۰ توسط شرکت جنرال موتور امريکا ساخته شد. از ۱۹۹۰، با سرمايه گذاري هاي بيشتر، فناوري پيل سوختي توسعه چشمگيري پيدا کرده است. از دهه ي ۸۰ به بعد، شرکت بالارد۴ در کانادا، تحت حمايت دولت با انجام پروژه ساخت نوعي زيردريايي که در آن از پيل سوختي استفاده مي شد، به عنوان پيشروي اين صنعت به دنيا معرفي شد. هواپيماي پيل سوختي ناسا در سال ۲۰۰۰ با نيروي محرکه دوگانه باتري خورشيدي و پيل سوختي، مورد بهره برداري قرار گرفت. اين هواپيما توان پرواز طولاني (۶ ماه) و بي وقفه را دارد و با حرکت مستمر خود در يک منطقه از آسمان، کاربردهاي وسيعي در زمينه هاي مخابراتي، جاسوسي و امدادرساني (در حوادث طبيعي) پيدا کرده است.
● تعريف پيل سوختي
پيل سوختي دستگاهي است الکتروشيميايي که انرژي حاصل از واکنش شيميايي را به انرژي الکتريکي مفيد تبديل مي کند. تبديل انرژي در پيل سوختي، تبديل مستقيم انرژي شيميايي به انرژي الکتريکي است. عملکرد پيل سوختي مانند باتري نيست که انرژي را ذخيره کند بلکه در آن حالتي از انرژي به حالتي ديگر تبديل مي شود، اما در اين تبديل، مواد داخل پيل مصرف نمي شود. همچنين، چگالي انرژي باتري کمتر از پيل سوختي است و فرايند شارژ باتري بسيار پيچيده تر از پر کردن مخزن پيل سوختي است. در باتري ها، توان تبديلات الکتروشيميايي بعد از چندين بار شارژ شدن کاهش مي يابد، اما در پيل هاي سوختي چنين محدوديتي وجود ندارد. مثلا، توده پيل هاي سوختي کار کرده در يک خودرو، قابل انتقال به خودروي جديد است.
● خودروهاي پيل سوختي ساده
در خودروهاي پيل سوختي، پيل و توده سوختي آن منبع توليد توان بوده و از هيچ گونه باتري کمکي استفاده نمي شود. پيل سوختي، مشابه باتري خودروهاي برقي، جريان الکتريسيته مورد نياز موتور و نيروي محرکه را توليد مي کند. سيستم نيرو محرکه، شامل يک معکوس کننده براي تبديل جريان پيل سوختي از DC به AC با فرکانس ولتاژ متغير، يک رتور AC و يک سيستم انتقال نيرو از موتور به چرخ هاي خودرو است.
● خودروهاي پيل سوختي ترکيبي (هيبريدي)
يک خودروي پيل سوختي، ترکيبي داراي يک باتري با يک خازن ظرفيت بالا به صورت موازي با سيستم پيل سوختي است. پيل سوختي ترکيبي، به طور همزمان از بيشترين بازده انرژي پيل سوختي و نيز توان بالاي موجود در باتري، استفاده مي کند.
هنگامي که مصرف انرژي بالاست (مانند حالت شتاب) توان مورد نياز خود توسط باتري و مجموعه پيل سوختي تأمين مي شود. هنگامي که ميزان مصرف انرژي پايين باشد (مانند حرکت در خيابان) پيل سوختي توان مورد نياز را تأمين مي کند. باتري ها طي زماني که مصرف انرژي پايين است، شارژ خواهند شد. بنابراين، براي تامين توان و انرژي مورد نياز، پيل سوختي براي حرکت معمولي و باتري براي با حداکثر توان، طراحي مي شوند. انتخاب مجموعه باتري به عواملي همچون هزينه و عملکرد پيل سوختي، فناوري ساخت باتري و چرخه حرکتي بستگي دارد. استفاده از باتري، امکان راه اندازي سريع را به خودروي داراي پيل سوختي داده و آن را در برابر واکنش معکوس در پيل سوختي طي عملکرد و سوخت توده، محافظت و باتري حداکثر توان مورد نياز را تأمين مي کند. انرژي توليدي مي تواند بازيابي شود. زمان پاسخ سيستم خودرو به تغييرات بار، در حالت وجود باتري سريع تر است. پيل سوختي ترکيبي، داراي عملکرد خوب، زمان کارکرد طولاني و زمان سوختگيري سريع بوده و مسافت قابل توجيهي را طي مي کند.
ساير مزاياي وجود باتري عبارتند از:
▪ عدم نياز خودرو به پيش گرم کردم پيل سوختي براي راه اندازي خودرو
▪ توانايي عملکرد خودرو در حالت کاملاً برقي طي زماني که سيستم پيل قادر به عملکرد در سطح ولتاژ اسمي خود نيست.
▪ زمان پاسخ بسيار سريع تر براي تغييرات بار
از جمله معايب وجود باتري، مي توان به هزينه، وزن و زمان بالاي شارژ مجدد آن اشاره کرد. هزينه مجموعه باتري معمولاً متناسب با مقدار انرژي قابل ذخيره آن و هزينه پيل سوختي متناسب با ميزان توان خواسته شده است. لذا باتري با ظرفيت توان بالا و ذخيره انرژي متوسط، ممکن است کمي گران باشد.
● اساس کار پيل سوختي
هيدروژن (سوخت) به آند و اکسيژن (اکسيدان) به کاتد تزريق مي شود. هر اتم هيدروژن، يک پروتون و يک الکترون دارد که با از دست دادن الکترون در آند به پرتون (H+) تبديل مي شود و به اين ترتيب، قابليت عبور از الکتروليت را پيدا مي کند. الکترون ها نمي توانند از الکتروليت عبور کنند و از طريق اتصال خارجي به کاتد مي رسند. در کاتد، الکترون هاي اکسيژن جذب شده روي کاتد و پروتون ها تشکيل آب مي دهند که از سيستم خارج مي شود. سيستم پيل سوختي، با قرار دادن موتور الکتريکي در مسير جريان الکتريکي کامل مي شود. اساس کار انواع پيل هاي سوختي مشابه يکديگر است. در پيل هاي سوختي با عملکرد در دماي پايين، بين دو واکنش دهنده حايلي قرار گرفته که از سه فاز تشکيل شده و عبارتند از: الکتروليت و دو پوشش کاتاليزور روي الکترودها. طبيعت و نوع حايل، نقش اساسي در عملکرد الکتروشيميايي پيل سوختي دارد بويژه پيل هاي سوختي که الکتروليت آنها مايع است. در اين گونه پيل ها، گازهاي واکنش دهنده از لايه نازک الکتروليت (که مرطوب کننده خلل و فرج الکترود است) نفوذ مي کنند و واکنش الکتروشيميايي، روي سطح الکترود مربوطه انجام مي شود. الکتروليت علاوه بر اينکه رساناي يون ها بين الکترودهاست، مانعي فيزيکي براي جلوگيري از انحراف جريان سوخت و اکسيدان از مسير اصلي به شمار مي آيد.
پيل هاي سوختي بر حسب نوع الکتروليت به ۵ دسته زير تقسيم مي شوند:
۱) پيل هاي سوختي پليمري يا داراي غشا مبادله کننده پروتون (دماي عملکرد ۷۰ تا ۹۰ درجه سانتي گراد)
۲) پيل هاي سوختي قليايي (دماي عملکرد ۶۰ تا ۹۰ درجه سانتي گراد)
۳) پيل هاي سوختي اسيد فسفريک (دماي عملکرد ۱۵۰ تا۲۰۰ درجه سانتي گراد)
۴) پيل هاي سوختي کربنات مذاب (دماي عملکرد ۵۵۰ تا ۷۰۰ درجه سانتي گراد)
۵) پيل هاي سوختي اکسيد جامد (دماي عملکرد ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتي گراد)
● مزاياي کاربري پيل سوختي
۱) بازدهي بالا: پيل هاي سوختي از قوانين حاکم بر ماشين هاي گرمايي تبعيت نمي کنند، از اين رو بازدهي آنها به ۳ برابر ماشين هاي گرمايي مي رسد. بر اساس نوع طراحي، بازدهي الکتريکي پيل هاي سوختي حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد (کمترين ارزش گرمايي) است. هنگامي که از گرماي خروجي آنها نيز استفاده شود، بازدهي تقريباً ۸۵ درصد مي شود.
۲) تنظيم سيستم بر حسب نياز: پيل هاي سوختي بسيار قابل انعطاف هستند، يعني مي توان در هر لحظه يک يا چند توده پيل را به کار گرفت و يا از کار انداخت. توان خروجي آنها بسيار متغير است (گستره توان خروجي از ۱۰۰ مگاوات براي سوخت ذغال سنگ تا بيش از ۵۰۰ مگاوات براي سوخت گاز طبيعي در تغيير است). ارزش تمام شده توده پيل به ازاي هر کيلووات براي نيروگاه بزرگ و يا کوچک يکسان است. زيرا بازدهي الکتريکي، به طور منفرد محاسبه مي شود و تعداد پيل ها بر بازدهي کلي، کم اثر است.
۳) سازگاري با قوانين زيست محيطي: پيل هاي سوختي داراي بازدهي بالا هستند و در هر توان خروجي، دي اکسيد کربن توليد شده کم است. مقدار اکسيدهاي نيتروژن و گوگرد به ترتيب حدود و کيلوگرم بر مگاوات ساعت است. اين پيل ها بي سروصدا هستند و صداي ايجاد شده توسط آنها ۶۰ دسي بل در هر ۹ مترمربع بوده و از اين رو قابل نصب در هر محلي هستند پيل هاي سوختي را مي توان به گونه اي طراحي کرد که از لحاظ مقدار آب مورد نياز، خودکفا باشند. به دليل سازگاري پيل هاي سوختي با قوانين زيست محيطي کسب پروانه ساخت آنها در زماني بسيار کوتاه صورت مي گيرد.
۴) انعطاف پذيري نسبت به سوخت: هيدروژن، سوخت اصلي پيل هاي سوختي است که از تفکيک آب، گاز طبيعي، ذغال سنگ، متانول و ديگر پيل هاي سوختي هيدروکربني به دست مي آيد. در زمان عدم دسترسي به اين منابع، مي توان با توجه به منابع موجود در محل، هيدروژن مورد نياز را تأمين کرد.
۵) افزايش توليد و کاهش توزيع: با توجه به نياز روزافزون به انرژي در مناطق دوردست، در صورت استفاده از پيل هاي سوختي، مشکلات توزيع با کاهش خطوط جديد انتقال انرژي برطرف مي شود. هم اکنون ۸ تا ۱۰ درصد از انرژي توليدي بين نيروگاه و مصرف کننده ها از طريق خطوط انتقال کاهش مي يابد. همچنين خطر ناشي از ميدان هاي الکترومغناطيسي موجود در اطراف خطوط انتقال نيرو در ولتاژ بالا، از بين مي رود. از آن جا که امکان استفاده از چندين واحد پيل سوختي در مناطق مختلف وجود دارد، با از کار افتادن يک يا چند پيل، شبکه برخلاف خطوط انتقال فعلي، آسيبي جدي نمي بيند.
۶) قابليت ترکيب با سيستم هاي ديگر و توليد انرژي با استفاده از گرماي خروجي پيل هاي سوختي که به اين ترتيب، گرماي خروجي از پيل، بازيافت مي شود.
۷) عدم نياز به تعمير: از آن جا که پيل هاي سوختي فاقد قطعات متحرک هستند نيازي به تعمير هاي پي در پي نداشته و تنها به تعويض فيلتر هوا و مواد نياز دارند. حداقل زمان تعويض قطعات، ۵ سال است، اما انتظار مي رود که اين زمان به ۲۰ سال يا بيشتر هم برسد.
● انواع پيل هاي سوختي مورد استفاده در صنعت خودرو
پيل سوختي الکتروليت پليمر جامد
اين پيل از يک غشاي تبادل يون به عنوان الکتروليت استفاده مي کند. اين نوع پيل ها ابتدا در دهه ۱۹۶۰ مورد استفاده قرار گرفت. امروزه، استفاده از اين فناوري که در ارتباط با برنامه فضايي ايالات متحده (جيمني) بود، در حيطه حمل و نقل مورد تأکيد قرار گرفته است.
پيل سوختي متانول مستقيم
راه حلي خوب در وسايل نقليه الکتريکي، استفاده از اين نوع پيل (DMFC) است. حدود ۳۰ سال است که تحقيقات در زمينه آن، آغاز شده و کاربرد آن در وسايل نقليه، روياي محققان پيل سوختي به شمار مي آيد. گرچه متانول ساده ترين نوع ماده آلي است، اما فعاليت ا لکتروشيميايي آن حدود ۳ درجه کمتر از هيدروژن و از اين رو، چگالي جريان توليد آن پايين است. فعاليت کاتاليزور در اين نوع پيل سوختي، به دليل مسموميت بالا، به شدت افت مي کند. به رغم اين مشکلات که مي بايستي رفع شوند، استفاده از پيل سوختي متانول مستقيم به علت حمل و نقل راحت متانول و نداشتن مشکلات ذخيره سازي و امنيتي هيدروژن بسيار مورد توجه محققان است.
● عوامل مؤثر در انتخاب فناوري مناسب خودروهاي پيل سوختي
براي انتخاب فناوري مناسب براي خودروهاي پيل سوختي، عوامل مؤثر زيادي نظير زير ساخت سوخت، هزينه سوخت، هزينه واحد انرژي در خودرو، نوع سوخت مصرفي، ايمني خودرو، برد خودرو (فاصله بين دو سوخت گيري)، شکل خودرو (از لحاظ توپولوژي و فضاي داخلي) محل نصب مخزن و نوع توده پيل سوختي وجود دارد. بررسي وضعيت کنوني خودروهاي پيل سوختي نياز به زمان داشته و بايد ديد که چگونه خودروهاي پيل سوختي خواهند توانست جايگاهي ويژه در بازار فروش به دست آورند.
پانوشت
۱ . William Groh
۲ . loudvic Mond
۳ . Charles lenjer
۴ . Balard

پيل سوختي ، پيل الکتروشيميايي اوليه است که در آن ، الکتريسته مستقيما بر اثر واکنش سوخت گازي يا سوخت مايع توليد مي شود که اين سوخت با يکي از الکترودها ...

صنعت و تکنولوژي هوافضا به علت خصوصيات ويژه و کاربردهاي خاص و منحصر به فرد همواره از پراهميتترين و ارزشمندترين صنايع و فناوريها در جهان بوده است بهطور ...

صنعت و تکنولوژي هوافضا به علت خصوصيات ويژه و کاربردهاي خاص و منحصر به فرد همواره از پراهميت‌ترين و ارزشمندترين صنايع و فناوري‌ها در جهان بوده است به‌ط ...

تاريخچه پيل سوختي اگر چه پيل‌سوختي به تازگي به عنوان يكي از راهكارهاي توليد انرژي الكتريكي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و كار دانشمند انگ ...

فناوري DSL و نقش آن در ارتباطات صوتي و داده اي همزمان مقدمه: به دنبال پيشرفت دانش و فناوري اطلاعات و ارتباطات وگسترش شبكه‌هاي اطلاع رساني واينترنت ب ...

نياز سازندگان خودرو به ترمزهايي با كيفيت بهتر و در عين حال كمترين امتياز منفي از لحاظ هزينه يا قيمت، سازندگان را مجبور به طرح ايده هايي جديد كرده است. ...

خودروهاي الکتريکي از مرحله ايده خارج و به فناوري کاربردي تبديل مي شوند. در حالي که خودروهاي الکتريکي گام به گام عرصه زمين را دراختيار مي گيرند، اوضاع ...

اگر چه پيل سوختي به تازگي به عنوان يکي از راهکارهاي توليد انرژي الکتريکي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگليسي سرويليام گرو ...

دانلود نسخه PDF - فناوري پيل هاي سوختي