وبلاگ

1-1- پیشگفتار
دو مشكل اساسی در استفاده از سوخت‌های فسیلی كه بیش از %80 تقاضای انرژی مورد مصرف را تشكیل می‌دهند وجود دارد. مشكل اول در محدودیت آنهاست به‌طوری‌كه در آینده‌ای نزدیک این سوخت‌ها به پایان می‌رسند. براساس تخمینی كه كمپانی‌های نفتی ارائه كرده‌اند، بین سالهای 2015 تا 2030 میزان مصرف نفت خام، گاز‌طبیعی و سوخت‌های فسیلی به بیشترین مقدار خود می‌رسند و از آن پس منابع فسیلی با كاهش چشمگیری روبرو خواهند بود.
مشكل دوم در استفاده از سوخت‌های فسیلی، مشكل زیست محیطی آنان است مانند تغییرات آب‌و‌هوایی، گرم‌شدن كلی محیط، ذوب شدن یخ‌های موجود در كره زمین، ایجاد باران‌های اسیدی، نقصان لایه ازن، خرابی مناطق كشاورزی و جنگلها بعلت استخراج بیش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشكل آلایندگی و آلودگی محیط زیست كه شرایط زندگی را نابسامان خواهد كرد. پیش از سال 1970، سیستم‌های انرژی هیدروژنی برای رفع این دو مشكل اساسی پیشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسیاری در جهت بكار‌گیری این سیستم‌ها و توسعه آنان تلاش كردند.
هیدروژن یک انرژی قابل حمل با خصوصیات منحصر به فرد است. سوختی پاك با راندمان خروجی بالا، سبك و در دسترس است. یكی از خصوصیات ویژه آن، نوع كاربرد آن در فرایند‌های الكترو‌شیمی است كه می‌تواند در صورت كاربرد در پیل‌های سوختی، انرژی الكتریكی تولید كند كه در مقایسه با انرژی سوخت‌های فسیلی راندمان بسیار بالاتر و مزایای ویژه‌ای دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بكارگیری این سیستم‌ها قوت چندانی گرفته است.
2-1- پیل سوختی چیست؟
پیل سـوختی تبدیل كننده انرژی الكترو‌شـیمی است كه انرژی شیـمیایی را به انرژی الكتریسـیته
(جریان مستقیم برق) تبدیل می‌كند. در حالت كلی یک فرایند تولید الكتریسیته از سوخت، شامل چندین گام تبدیل انرژی است كه این گام‌ها عبارتند از:
(1) سوزاندن سوخت مورد نظر و تبدیل آن به حرارت
(2) ایجاد آب جوش و بخار آب از حرارت به وجود آمده
(3) بكار گیری بخار آب ایجادی در توربین جهت تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مكانیكی
(4) بكار گیری انرژی مكانیكی در ژنراتور و تولید جریان الكتریسیته
یک پیل سوختی تمام مراحل فوق را جهت تولید جریان الكتریسیته در یک گام خلاصه می‌كند علاوه بر اینكه هیچ نیازی به قسمت‌های متحرك ندارد. (شكل 1-1) چگونگی ایجاد جریان الكتریسیته توسط پیل سوختی را در یک گام نشان می‌دهد.
یک پیل سوختی از برخی جنبه‌ها شبیه به یک باتری است چون شامل الكترولیت و قطب‌های مثبت و منفی است و از واكنشهای الكتروشیمی، جریان الكتریسیته DC تولید می‌كند ولی برخلاف یک باتری نیازمند سوخت و اكسیژن مداوم است، همچنین الكترودهای پیل سوختی برخلاف یک باتری دستخوش تغییرات شیمیایی قرار نمی‌گیرند.
باتری‌ها به واسطه واكنشهای شیمیایی و با بهره گرفتن از موادی كه از قبل درون آن‌ ها قرار گرفته است، جریان الكتریسیته تولید می‌كنند و به همین دلیل یک باتری در صورت مصرف مواد داخل آن تخلیه می شود كه در این صورت نیازمند شارژ مجدد است البته مشروط به اینكه قابلیت شارژ مجدد را داشته باشد ولی یک پیل سوختی مادامی كه اكسیژن و سوخت به آن تزریق شود، امكان تخلیه ندارد و می‌تواند در دراز مدت كار كند. اكسیژن و هیدروژن كه از مواد مورد نیاز پیل سوختی است به وفور در دسترس است و هم به صورت خاص و هم به صورت تركیبی یافت می‌شود، مثلاٌ  هیدروژن ممكن است در تركیب با گازهایی همچون ، ، Co و … موجود باشد و یا در هیدروكربنات‌هایی مثل گاز طبیعی یا حتی هیدروكربنات مایع مثل متانول وجود داشته باشد، همچنین هوای محیط هم به اندازه كافی حاوی اكسیژن مورد نیاز پیل سوختی می‌باشد. از سوی مقابل باتری هم مزیت‌هایی نسبت به پیل سوختی دارد كه می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
– عدم اتلاف حرارت و آب توسط باتری ]حرارت ایجادی در باتری بسیار كمتر از پیل سوختی است[
– عدم نیاز به مدیریت سیستم در باتری
– عدم نیاز به تجهیزات زیاد و هزینه‌های جانبی سنگین
3-1- بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی پلیمری
در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد  :
بهینه سازی پارامترهای فرایندی یا پارامتر های عملکردی

بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل
1-3-1- بهینه سازی پارامترهای فرایندی
بهینه سازی در پارامترهای متغیر شامل پارامترهایی از قبیل دما ، فشار کارکرد ، نسبت مصرف سوخت در کاتد به آند ، دمای مرطوبیت ، غلظت یا مولاریته سوخت ، سینتیک واکنش و ….. که از میان این پارامتـرها تعدادی قابل کنترل و تعدادی غیر قابل کنترل اند و یا به عبارت صحیح تر کنترل برخی از پارامــــــترها هزینه زیادی در بر داشته طوری که از کنترل آنان صرف نظر شده و به مهار کردن پارامترهای در دســترس­تر پرداخته شده است. در مقالات معمولا به بررسی چهار پارامتر از تمامی پارامترهای ممکن پرداخته شــده است که این چهار پارامتر عبارتند از :
دمای کارکرد پیل سوختی که معمولا بین 60 تا 80 درجه سانتی گراد متغیراست
درصد رطوبت پیل سوختی
میزان مصرف اکسیژن در کاتد به مصرف هیدروژن در آند
فشار سیستم در سمت آند
فشار سیستم در سمت کاتد
2-3-1- بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل
پیل سوختی از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است که در هر قسمت می توان بررسی هایی در جهت افزایش راندمان صورت داد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد :
– نوع کانال جریان آند (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ)
– لایه پخش گازی آند (جنس ، میزان فشردگی)
– مواد و ضخامت لایه کاتالیست آند و کاتد
– لایه پخش گازی کاتد (جنس ، میزان فشردگی)
– سایز ابعادی کانالها در هر دو قسمت آند و کاتد (طول ، عرض و عمق کانال)
– فاصله بین دو کانال در صفحات الکترود (یا بررسی شعاع گذر)
– مواد و ضخامت غشای تبادل یونی
– نوع کانال جریان کاتد (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ(
– و….
استفاده از مواد جایگزین و کار آمدتر موضوعی است که بسیاری از محققان در بررسی آن می کوشند . در حالت کلی استفاده از ابعاد مناسب ، استفاده از ماده مناسب و یک پیکر بندی صحیح برای پیل از جمله مـواردی است که در این قسمت قابل بررسی است.
پژوهشهای بســیاری در زمـینه یافتن ابعاد مناسب برای کانالهای تعبیه شده در صفحات الکتـرود موجود اسـت که به روش های مختلفی همچون تحلیلی ، تجربی ، شبیه سازی که در قالب دینامیک سیالات مورد مطالـعه قرار میگرد و ترکیب تحلیلی و تجربی به تحقیق پرداخته و هر کدام ابعادی مناسب پیشنهاد می کنند که بیــشترین راندمان در قدرت خروجی را دارا می باشند.
4-1- پژوهشهای انجام شده در مورد بهینه سازی پارامترهای فرایندی پیل سوختی پلیمری
سلیمان[1] و همکارش ]1[ در سال 2007 از روش تاگوچی که در سال 1980 توسط خود تاگوچی معرفی شد ، برای بهینه سازی پارامترهای فرایندی استفاده کردند . استفاده از این روش تعداد آزمایشـات مورد نیاز را به طرز چشـم گیری کاهش داده و این سبب کاهش هزینه ها وکوتاهتر شدن زمان آزمایش می گردد . در روش تاگـوچی دو دسته پارامـتر موجود است ، پارامترهای قابل کنترل و پارامترهای غـیر قـابـل کنترل کـه اصطلاحا به آنان پارامترهای نویز گفته میشود . آن دسته از پارامترهایی که کنترل آنان بسیار سخت و هزینه بر است نیز جزو پارامترهای غیر قابل کنترل یا نویز به حساب می آید. سلیمان و همکارش ]1[ در این آزمایشات پارامـترهای دمای کارکرد پیـل ، دمای رطوبت ، فشار کارکرد پیـل سوختی و نسـبت مصـرف سوخت در کاتد به آند را پارامترهای قابل کنترل در نظر گرفت و مقادیری را بعنوان مقادیر بهینه ارائه نمود و ادعا کرد که پیل سوختی در صورت عملکرد این مقادیر بیشترین راندمان خروجی را دارند.
بتی[2] و همكارانش ]3[ وابستگی فشار و دما را در سطح مشترك كاتالیست و غشا مورد بررسی قرار دادند. كاپادونیا[3] و همكارانش ]4[ وابستگی غشای نفیون 117 را بعنوان تابعی از دما و مرطوبیت بررسی كردند. سرید‌هار[4] و همكارانش ]5[ اثر رطوبت بر چگونگی عملكرد پیل سوختی پلیمری را تحقیق كردند و برای تحقیقات خود از یک سری آزمایشات مربوطه بهره گرفتند.
ونگ[5] و همكارانش ]6[ اثرات پارامترهای عملكردی همچون دما و … را بر راندمان پیل‌های سوختی تحقیق كردند و بصورت عملی و آزمایشگاهی تأثیر این پارامترها را در حالت‌های مختلف نشان دادند. ونگ از هیدروژن خالص برای سوخت در طرف آند و از هوای معمولی در طرف كاتد استفاده كرد.
هیون[6] و همكارانش ]7[ با توجه به آزمایشات عملی به تحقیق در مورد اثرات مرطوبیت بیرونی بر عملكرد پیل سوختی پرداختند.
هوانگ[7] و همكارانش ]8[ به بررسی میزان تغییرات راندمان خروجی در ازای تغییرات پارامترهای عملكردی پرداختند و نتیجه آزمایشات خویش را ارائه كردند.
فرنگ[8] و همكارانش ]9[ علاوه بر انجام آزمایشات عملی یک مدل تحلیلی ارائه كردند و با توجه به مدل تحلیل و آزمایشات عملی به بررسی میزان اثرات پارامترهای عملكردی و همچنین مشخصات جریان در كانال جریان گازی و لایه پخش‌كننده گاز پرداختند.
سانتارلی[9] و همكارانش ]10[ بر روی میزان مرطوبیت پیل سوختی در حالت اشباع و بدون مرطوبیت و همچنین میزان فشارهای واكنشگرها بصورت آزمایشگاهی تحقیق كرده و در نهایت نتایج خود را بعنوان مقادیر مناسب برای پارامترهای پیل سوختی درنظر گرفته و نتایج خویش را ارائه نمودند.
تیسیالنی[10] و همكارانش ]11[ یک سری آزمایشات در جهت افزایش راندمان پیل سوختی انجام دادند و در مقادیری خاص تاثیر این پارامترها را بر عملکرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند.
وهدامه[11] و همكارانش ]12[ با بهره گرفتن از یک سری آزمایشات تجربی به مطالعه اثرات فشار گاز و نرخ جریان گازی در یک پیل سوختی w500 پرداختند.
لی[12] و همكارانش ]13[ با ارائه یک مدل همدما و پایدار از پیل سوختی پلیمری به بررسی واكنش‌های پیل و شرایط بهینه عملكردی پارامترها پرداختند.
جردان[13] و همكارانش ]14[ اثر پارامترهای لایه پخش گازی را بر عملكرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند. موتو پالی[14] و همكارانش ]15[ اثرات نفوذ آب بر غشایی از جنس نفیون 115 را مورد مطالعه قرار دادند. چندین تحقیق ]18-16[ با بهره گرفتن از مدل‌های شبیه‌سازی شده از پیل سوختی پلیمری، به بررسی عملكرد سمت كاتد و عملكرد كاتالیست بعنوان تسریع بخش واكنش‌ها و همچنین مدیریت آب و حرارت در پیل سوختی پرداختند.
[1]- Soleyman
[2]- Beattie
[3]- Cappadonia
[4]- Sridhar
[5]- Wang
[6]- Hyun
[7]- Hwang
[8]- Ferng
[9]- Santarelli
[10]- Ticianelli
[11]- Wahdame
[12]- Li
[13]- Jordan
[14]- Motupally