دانلود مقاله وابستگی اقتصادی و شرایط محیطی


Widget not in any sidebars
پیل‌‌سوختی نوعی سلول الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی حاصل از واکنش را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سازه و بدنه اصلی پیل‌سوختی از الکترولیت، الکترود آند و الکترود کاتد تشکیل شده است. پیل سوختی یک دستگاه تبدیل انرژی است که به لحاظ نظری تا زمانی که ماده اکسید کننده و سوخت در الکترودهای آن تأمین شود قابلیت تولید انرژی الکتریکی را دارد. البته در عمل استهلاک، خوردگی و بد عمل کردن اجزای تشکیل دهنده، طول عمر پیل‌سوختی را کاهش می‌دهد ]8-7[.
1-5-1 انواع پیل سوختی مورد استفاده در صنعت خودرو
انواع پیل های سوختی از لحاظ دمای عملکرد و سطح راندمان بصورت زیر تقسیم بندی می شوند ]8-7[.
پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC )
پیل سوختی قلیایی (AFC )
پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC )
پیل سوختی اکسید جامد (SOFC )
پیل سوختی متانولی (DMFC )
پیل‌سوختی اسید فسفریک ]7[ اولین پیل‌سوختی تجاری می باشد که توسعه آن از اواسط دهه 1960 آغاز گشت و از سال 1970 در مرحله آزمایش قرار گرفت و همچنان در حال توسعه در زمینه افزایش پایداری و عملکرد و کاهش هزینه می‌باشد. الکترولیت مورد استفاده در این پیل‌سوختی اسیدفسفریک با غلظتی در حدود %100 می‌باشد. محدوده دمای کارکرد این پیل‌سوختی بین 150 تا 220 درجه سانتیگراد است. هدایت یونی در اسیدفسفریک نسبتاً ضعیف است ولی به علت پایداری بیشتر نسبت به سایر اسیدها جهت استفاده در این نوع پیل‌سوختی ارجعیت دارد. پیل‌سوختی اسیدفسفریک به CO2 حساسیتی نداشته و حضور CO تا حد 2-1 درصد مشکلی ایجاد نمی‌کند. کاتالیست مورد استفاده در پیل‌سوختی اسید فسفریک پلاتین و ماتریسی که برای نگه‌داری اسید به کار می‌رود از جنس کاربید سیلیکون (SiC) است. بازده الکتریکی این نوع پیل‌سوختی در حد 45%-40% است که با استفاده از حرارت حاصل از واکنش‌های الکتروشیمیایی در کاربردهای توامان برق و حرارت میزان بازده کلی (الکتریکی و حرارتی) به 85% افزایش می‌یابد.
پیل‌های سوختی غشاء پروتون (پلیمری) ]8[ اولین بار در دهه 1960 برای برنامه Gemini ناسا استفاده شد. این نوع پیل‌سوختی از نقطه‌ نظر طراحی و کارکرد یکی از جذابترین انواع پیل‌سوختی است. پیل‌سوختی پلیمری دارای الکترولیت پلیمری به شکل یک ورقه نازک منعطف است که هادی یون هیدروژن (پروتون) می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت، از آب اشباع باشد. نفیون یکی از بهترین الکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل‌سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمای پایین 80 درجه سانتیگراد( تقریباً 175 درجه فارنهایت) کار می کند. سایر الکترولیت های جامد در دمای بالا نزدیک به 1000 درجه سانتیگراد کار می‌کنند. در پیل‌سوختی پلیمری واکنش احیاء اکسیژن واکنش کندتر است (این واکنش سه مرتبه کندتر از واکنش اکسید شدن هیدروژن است). کاتالیست مورد استفاده در این پیل‌سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزان کاتالیست مصرفی در الکترودهای این نوع پیل‌سوختی بیشتر از سایر انواع پیل‌سوختی است. بازده‌ الکتریکی این نوع پیل‌سوختی در حدود %50-40 درصد است. سوخت مصرفی در پیل‌سوختی پلیمری نیازمند هیدروژن خالص است لذا مبدل در خارج پیل‌سوختی جهت تبدیل سوخت‌های متانول و یا بنزین به هیدروژن نیاز است.
پیل‌سوختی MCFC ]8-7[ کاملاً متفاوت از سایر انواع پیل‌سوختی عمل می‌‌نماید. الکترولیت این پیل‌ها ترکیبی از مذاب کربنات نمک‌ها می‌باشد. دو نوع ترکیبی که اکنون بیشترین کاربرد را دارند ترکیب کربنات سدیم و کربنات لیتیم و یا کربنات پتاسیم و کربنات لیتیم می‌باشند که در ماتریسی از جنس LiAlO2 نگهداری می‌شود. بواسطه دمای کارکرد بالا این نوع پیل‌سوختی، نیکل به عنوان آند و اکسید نیکل به عنوان کاتد استفاده می‌شود و نیازی به استفاده از فلزات کمیاب در الکترودهای این پیل‌سوختی نیست. برای ذوب کربنات نمک و دستیابی به هدایت یون بهتر در الکترولیت، پیل‌سوختی کربنات مذاب دمای بالا
( 600تا700 درجه سانتیگراد )کار می‌کند. از این رو این پیل‌ها در خانواده پیل های سوختی دما بالا طبقه‌بندی می‌شوند.
توسعه پیل‌سوختی SOFC ]8[ از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در حال حاضر بالاترین دما را در میان انواع پیل‌سوختی دارد. محدوده دمای عملکرد این پیل600 – 1000 درجه سانتیگراد است و به همین دلیل از انواع سوخت‌ها در آن می‌توان استفاده نمود. این پیل‌سوختی دو ساختار صفحه ای و لوله‌ای دارد و از الکترولیت جامد سرامیکی نازکی به جای الکترولیت مایع استفاده می‌شود. در دمای عملکرد بالا در پیل‌سوختی اکسید جامد یون‌های اکسیژن (با بار منفی) از شبکه کریستالی(عموماً ترکیبی از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم) عبور می‌کنند. در کاتد ملکول‌های اکسیژن هوا با چهار الکترون ترکیب می‌شوند. وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یون‌های اکسیژن از الکترولیت عبور می‌کند تا سوخت را اکسید کنند. الکترون های ایجاد شده در آند از یک مدار خارجی عبور می کنند و به کاتد می روند. با این کار مدار الکتریکی کامل شده و انرژی برق تولید می‌شود.
پیل سوختی متانولی یا DMFC ]8-7[ گونه‌ای از پیل‌های سوختی است که با استفاده از غشاء تبادل گر پروتون کار می‌کند. این نوع پیل، به دلیل عدم نیاز به مبدل (reformer) در کاربری‌های قابل جابجایی و ادوات متحرک جذابیت‌هایی دارد. نقطه ضعف DMFC نسبت به گونه‌های دیگر، پایین بودن کارآیی تبدیل انرژی آن است. در یک سلول DMFC، در سمت آند محلول متانول با آب در مجاورت یک الکترولیت در حضور یک کاتالیزور، تعدادی پروتون را تولید می‌کند. در نتیجه در این سمت، بار منفی جمع می‌شود. در سمت کاتد یک اکسید کننده (هوا یا اکسیژن) در مجاورت کاتالیزو با ترکیب اکسیژن و پروتون‌های عبور کرده از میان غشاء، آب، گرما و اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کند.
الکترولیت، در این پیل، یک غشاء پلیمری جامد است که خصوصیات آن به شدت وابسته به چگونگی چیدمان مولکول‌ها دارد، و ساخت آن مستلزم داشتن تکنولوژی بالا است. برای این که کاتالیزور وظیفه خود را به خوبی انجام دهد، میزان تماس آن با غشاء باید بسیار زیاد باشد و روی آن به خوبی بنشیند و الکترودها (آند و کاتد)، باید کاملاً در تماس با غشاء باشند. این مجموعه ظریف برای کارکرد، نیاز به تبادل ماده و جریان الکتریکی با محیط اطراف خود دارد. این مجموعه غشاء (همراه با کاتالیست‌ها) و الکترودها، به شکل یکپارچه مورد استفاده قرار می‌گیرد که به MEA‌ موسوم است و عموما شامل ٣، ۵ یا ٧ لایه است و به طور کلی فرآیند الکتروشیمیایی پیل در آن انجام می‌شود. جهت تماس مناسب بین واکنشگرها و MEA و نیز هدایت الکترون‌ها به مدار خارجی از صفحات جمع‌کننده (نوعا گرافیتی) تک قطبی یا دو قطبی استفاده می‌گردد. مجموعه صفحات هدایتگر (صفحات گرافیتی) و MEA باید به نحوی با هم مونتاژ می‌شوند که از محیط خارج کاملاً ایزوله گشته است. این مجموعه را در یک پیل سوختی سلول می‌نامند.
خروجی اصلی پیل، رفتار الکتریکی آن است که عموما به صورت منحنی ولت-آمپر قطبیت که بر واحد سطح یک سلول نمایش داده می‌شود، این منحنی شدیدا به پارامترهای نوع MEA، تعادل شیمیایی، الگوی جریان آندی و کاتدی، شرایط فیزیکی (دما، فشار …) و نوع و غلظت واکنشگرها وابسته است. چون در اغلب موارد، یک سلول فاقد خصوصیات الکتریکی (جریان و ولتاژ کافی) مورد نظر است، گروهی از آنها را با هم ترکیب (معمولا سری) کرده و یک مجموعه سلول (stack) می‌سازند. برای آماده سازی شرایط تداوم عملکرد سلول‌های سری، سیستم جانبی لازم است که این سیستم وظیفه فراهم کردن شرایط محیطی مناسب برای واکنش‌های الکتروشیمیایی (درجه حرارت، فشار …) و تغذیه واکنشگرها و خروج مواد زائد از محیط واکنش را بر عهده دارد.
1-5-2 مزایای پیل های سوختی
برخی از مزایای استفاده از پیل سوختی بصورت زیر است ]8-7[:
پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندان سوخت های فسیلی را حذف نموده و تنها محصول جانبی آن آب می باشد.
بدلیل وابسته نبودن به سوختهای فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی اقتصادی کشورهای ناپایدار اقتصادی را حذف می کند.
با نصب پیل های سوختی نیروگاهی کوچک، شبکه غیرمتمرکز نیرو گسترده می گردد.
پیل های سوختی راندمان بالاتری نسبت به سوختهای فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارد.
هیدروژن در هر مکانی از آب و برق تولید می گردد. لذا پتانسیل تولید سوخت، غیرمتمرکز خواهد شد.
اکثر پیل های سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی صدا هستند.