تجزیه و تحلیل اجزای پیل سوختی غشای تبادل پروتون برای تامین انرژی یک وسیله نقلیه

تجزیه و تحلیل اجزای پیل سوختی غشای تبادل پروتون برای تامین انرژی یک وسیله نقلیه
چکیده
وسایل نقلیه پیل سوختی هیدروژنی عملکردی مشابه با خودروهای الکتریکی دارند که از موتور الکتریکی به جای موتور احتراق داخلی برای به حرکت درآوردن چرخ ها استفاده میکنند.در حالی که خودروهای برقی با باطری ها کار میکنند پیل های سوختی برق مورد نیاز را خود تامین میکنند.در یک پیل سوختی، گاز هیدروژن از مخزن سوخت خودرو با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می شود و تنها خروجی آن آب و گرما به عنوان محصولات جانبی است که الکتریسیته تولید می کند.
پیل سوختی غشای تبادل پروتون، که عمدتاً از هیدروژن برای سوخت استفاده می کند، مزایای زیادی برای کاربردهای خودرو دارد و در مقایسه با پیل سوختی غشای تبادل پروتون با دمای پایین معمولی (60 تا 80 درجه سانتیگراد)، پیل سوختی با دمای بالا (120 تا 180 درجه سانتیگراد) به سیستم ساده تری نیاز دارد. پیل سوختی به دلیل داشتن دمای بالا و به دلیل تحمل بالاتر مونوکسید کربن می تواند از سوخت مایع مانند متانول استفاده کند. هدف این تجزیه و تحلیل بررسی اتلاف حرارت برای وسایل نقلیه پیل سوختی با دمای بالا و پیشنهاد استراتژی‌های خنک‌کننده برای بهینه‌سازی عملکرد است.
کلید واژه ها: هیدروژن، پیل سوختی پلیمری، انرژی پاک

مقدمه
در سراسر جهان، بخش حمل و نقل حدود 27 درصد از مصرف نهایی انرژی را به خود اختصاص می دهد. از آنجایی که حمل و نقل کم تنوع ترین بخش انرژی است که تقریباً به طور کامل به سوخت های فسیلی متکی است، حدود 25 درصد از انتشار دی اکسید کربن جهان را باعث می شود. ماشین های سواری علیرغم سیاست ها و اقداماتی که در سراسر جهان با هدف کاهش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای از بخش حمل و نقل اجرا شده است، مالکیت خودرو و ترافیک جاده ای به طور مداوم در حال افزایش است و علاوه بر این، کاهش آلودگی هوا به ویژه در مناطق شهری در حال تبدیل شدن به یک اولویت نظارتی است. در حال حاضر، بیش از 80 درصد از جمعیت شهری جهان در معرض سطح کیفی هوا زیر حداقل استانداردها قرار دارند. طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی، آلودگی هوا باعث حدود 4.2 میلیون مرگ زودرس در سراسر جهان شده است. برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، وسایل نقلیه الکتریکی با باتری و وسایل نقلیه پیل سوختی مورد توجه ویژه هستند. این وسایل نقلیه در محل استفاده آلایندگی صفر دارند و اگر الکتریسیته و هیدروژن از منابع انرژی تجدیدپذیر تولید شوند، می توانند به طور قابل توجهی میزان انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهند.

اجزای اصلی یک خودروی پیل سوختی

باطری (کمکی)
در یک وسیله نقلیه الکتریکی، باتری کمکی ولتاژ پایین، برق را برای راه‌اندازی خودرو قبل از درگیر شدن باتری کششی فراهم می‌کند. همچنین لوازم جانبی خودرو را تامین می کند.
بسته باتری
این باتری ولتاژ بالا انرژی تولید شده از ترمز احیا کننده را ذخیره می کند و نیروی اضافی برای موتور کشش الکتریکی را فراهم می کند.
مبدل DC/DC
این دستگاه برق DC ولتاژ بالاتر را از بسته باتری به برق DC ولتاژ پایین مورد نیاز برای راه اندازی لوازم جانبی خودرو تبدیل میکند و همچنین شارژ مجدد باتری کمکی را هم تبدیل می کند.
موتور الکتریکی
این موتور با استفاده از نیروی پیل سوختی و بسته باتری ، چرخ های خودرو را به حرکت در می آورد. برخی از وسایل نقلیه از ژنراتورهای موتور استفاده می کنند که هم عملکرد محرک و هم بازسازی را انجام می دهند.
استک های پیل سوختی
هر استک منفرد در پیل سوختی تشکیل شده است از یک آند، کاتد و غشاء که به یکدیگر متصل شده اند تا یک مجموعه الکترود غشایی را تشکیل دهند که در آن هیدروژن و اکسیژن با هم ترکیب می شوند. در آند، مولکول های هیدروژن به پروتون و الکترون تقسیم می شوند و غشای جداکننده کاتد و آند یک پلیمر Nafion است که امکان هدایت پروتون را فراهم می کند.
الکترون ها قادر به حرکت از طریق غشاء نیستند و بنابراین باید در اطراف یک مدار خارجی جریان داشته باشند که در آن می توان کار الکتریکی را استخراج کرد. سپس پروتون ها و الکترون ها با اکسیژن در سمت کاتد واکنش داده و آب و گرما تولید می کنند. صفحات دوقطبی به یکدیگر متصل می شوند تا یک پشته پیل سوختی را تشکیل دهند. سپس ولتاژ عملیاتی میشود مجموع ولتاژهای تک سل یک پیل سوختی.
پرکننده سوخت
یک نازل از یک توزیع کننده سوخت به مخزن خودرو متصل می شود تا باک را پر کند.
مخزن سوخت (هیدروژن)
گاز هیدروژن را در داخل خودرو ذخیره می کند تا زمانی که پیل سوختی به آن نیاز داشته باشد.
کنترل کننده الکترونیک قدرت
این واحد جریان انرژی الکتریکی تحویلی توسط پیل سوختی و باتری را مدیریت می کند و سرعت موتور الکتریکی و گشتاور تولیدی آن را کنترل می کند.
سیستم خنک کاری در داخل پیل سوختی
این سیستم محدوده دمای عملیاتی مناسب پیل سوختی، موتور الکتریکی، الکترونیک قدرت و سایر اجزا را حفظ می کند و واکنش کلی در یک پیل سوختی پلیمری دما پایین معمولاً 50% کارآمد است که با کاهش بازده با افزایش چگالی جریان همراه است. برای یک پیل سوختی طراحی شده برای خودرو معمولا استفاده از یک سیستم خنک کننده با ظرفیت اتلاف حرارتی 15 کیلووات با اختلاف دمای کمتر از 10 درجه سانتی گراد مجاز بین ورودی و خروجی توصیه می شود.
دمای کاری توصیه شده 65 درجه سانتی گراد است که اگر خنک کننده ناکافی ارائه شود، دمای پشته به طور مداوم افزایش می یابد و باعث کاهش رطوبت غشا می شود که منجر به خرابی مکانیکی و کاهش شدید عملکرد می شود.

گیربکس (برقی)
گیربکس نیروی مکانیکی را از موتور الکتریکی برای به حرکت درآوردن چرخ ها منتقل می کند.
توضیح دو سیستم مجزا در خودرو:
1-سیستم هوا در داخل پیل سوختی
حداقل نسبت استوکیومتری هوای عملیاتی توصیه شده برای یک پیل سوختی طراحی شده برای خودرو در فشار کاری نزدیک به اتمسفر و رطوبت نسبی ورودی 100٪ در 60 درجه سانتیگراد است.قادر به ایجاد فشار های متفاوت است استفاده کرد و همینطور وجود یک سوپاپ کنترل فشار برگشتی در اگزوز رطوبت ساز برای تنظیم فشار کار امر ضروری است.
2-سیستم هیدروژن در داخل پیل سوختی
حداقل نسبت استوکیومتری هیدروژن توصیه شده برای یک پیل سوختی طراحی شده برای خودرو با درجه خلوص هیدروژن (99.999٪) مرطوب شده تا رطوبت نسبی 100٪ در 60 درجه سانتیگراد است که فشار عملیاتی نزدیک به اتمسفر است و تا حد زیادی توسط فشار کاتد دیکته می شود، جایی که اختلاف فشار باید کمتر از 30 کیلو پاسکال حفظ شود تا از آسیب به پیل سوختی جلوگیری شود. در توان عملیاتی 9.5 کیلووات، سرعت جریان حجمی هیدروژن نرمال شده 11 m3 / hمورد نیاز است. که در این شرایط حداکثر افت فشار سمت آند 10 کیلو پاسکال میباشد.

نتیجه گیری
در این مقاله سعی شده بود که نگاه کلی داشته باشیم به اجزای یک خودروی پیل سوختی پلیمری که در آن سعی شده بود تمامی اجزا در یک وسیله ی نقلیه ی هیدروژنی توضیح داده شود و سعی بر این است که در یک مقاله ی دیگر یک خودروی هیدروژنی را به طور مفصل مورد بررسی قرار دهیم و به این مورد اشاره کنیم که در حال حاضر چند شرکت بر روی گسترش آن کار میکنند.

منابع

1. Larminie J, Dicks A. , Fuel Cell Systems Explained, 20092nd edn Wiley.
2. Cordner M, Matian M, Offer GJ, et al. Designing building testing and racing a low-cost fuel cell range extender for a motorsport application, J Power Sources, 2010, vol. 195 (pg. 7838-48)
3. https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-fuel-cell-electric-cars-work
4. www.toyota.com
5. https://academic.oup.com/ijlct/article/7/1/28/633929

نویسنده: شهاب نوشمند
رشته:مکانیک – تبدیل انرژی
مقطع:ارشد
آدرس ایمیل:shahabnooshmand@gmail.com
آدرس لینکدین: https://linkedin.com/in/shahabnooshmand