آخرین اخبار

خودروی پرنده ترانزیشن
خودرو ایرانی با چه قیمتی صادر می شود؟
BMW وی 8 برای 2016 +تصاویر
تصاویر زیبا از کیا کادنزا 2014
شماره‌گذاری خودروهای کلاسیک
تصاویر تازه از جیپ پاتریوت 2014
تصاویر وانت کارا اسپرت 2
رانا هاچبک
تصاویر دیدنی از آئودی 2014 A3

آخرین مقالات

گارد ماشین
بازدید وتعویض شمع ماشین
عدد اکتان وروش محاسبه آن
مخلوط بنزین های مختلف
بهترین زمان برای تعویض روغن
ایموبلایزر چیست؟
چگونه بهترین روغن ماشین را انتخاب کنیم
واشر سرسیلندر چیست؟
روش عیب یابی کمک فنر خودرو به زبان ساده

ثبت آگهی رایگان

ایمیل:

رمز عبور:


بازیابی رمز عبور

دسته بندی ها

  خودرو
- ایرانی صفر
- ایرانی کارکرده
- خارجی صفر
- خارجی کارکرده
  موتور سیکلت
- سبک
- سنگین
  هواپیما
- مسافری
  تعمیرات ولوازم یدکی

نگاهي به فناوري استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروهاي پيل سوختي

 

نگاهي به فناوري استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروهاي پيل سوختي

هيدروژن به جاي بنزين
 
 

 


 

خودروهاي پيل سوختي (fuel cell) يکي از بهترين گزينه­ها براي کاهش مصرف سوخت و آلودگي­هاي دي­اکسيد کربن هستند. اين خودروها از هيدروژن به عنوان سوخت استفاده مي­کنند. هيدروژن مي­تواند مستقيما در خودرو ذخيره شود و يا اين که از تبديل متانول و يا هيدروکربن­هاي مشتق‌شده از نفت خام، با استفاده از مبدل­ها در خودرو، توليد شود. طراحي خودرو پيل سوختي با مخزن ذخيره هيدروژن ساده­تر از استفاده از مبدل­ها در خودرو است، اما نياز به زيرساخت­هاي پيچيده سوخت­رساني دارد که در بيش تر کشورها وجود ندارد. از طرفي چگالي پايين هيدروژن و مباحث ايمني از جمله چالش­هاي ساخت مخازن ذخيره­سازي هيدروژن است. روش­هاي زيادي براي توليد هيدروژن وجود دارد، اما اکثر اين روش ها اقتصادي و مقرون به صرفه نيستند و به همين دليل در اين مطلب به آن ها نمي‌پردازيم.


امروزه ميليون ها نفر از مردم به خودروها به عنوان عامل اصلي حمل و نقل وابسته هستند. خودروها مناسب‌ترين و موثرترين وسيله براي مسافرت هستند. متاسفانه اکثر خودروها ازسوخت­هاي فسيلي استفاده مي­­کنند. با مصرف بنزين در موتورهاي درون‌سوز، مونواکسيد کربن، اکسيدهاي نيتروژن، هيدروکربن ها و دي‌اکسيد کربن توليد مي­شود. اين مواد شيميايي موجب آلودگي هوا، باران­هاي اسيدي و تجمع گازهاي گلخانه­اي در جو و نهايتا موجب تخريب لايه اوزن مي­شود. در مناطقي مانند استراليا به دليل تخريب لايه اوزن اين تابش بسيار شديد است. گذشته از تخريب محيط زيست، بنزين منبع انرژي محدود و رو به پاياني است.


اين مشکلات خودروسازان را وادار به ساختن خودرويي کرده است که عاري از اين نقايص باشد. بنا­براين بايد منبع انرژي ارزان و موثري سريعا تهيه شود. به طور ايده­آل اين منبع انرژي بايد از نظر مقدار نامحدود و با محيط زيست سازگار باشد. موارد متعددي مورد توجه است. بهترين جايگزين بنزين، پيل سوختي است. سيستم­هاي پيل سوختي هيچ گونه آلودگي نداشته و اجزاي متحرک ندارند. راندمان پيل‌هاي سوختي بيش از سه برابر موتورهاي احتراق داخلي است. باوجود آن که بنزين توسط موتورهاي احتراق داخلي مصرف مي‌شود اکثر پيل‌هاي سوختي از هيدروژن به عنوان منبع تجديد پذير استفاده مي­کنند. کاربرد پيل­هاي سوختي وابستگي به منايع محدود سوخت­هاي فسيلي را کاهش مي­دهد.


پيل سوختي


پيل سوختي دستگاهي است الکتروشيميايي که انرژي شيميايي حاصل از يک واکنش شيميايي را به انرژي الکتريکي مفيد تبديل مي­کند. تبديل انرژي در پيل سوختي تبديل مستقيم انرژي شيميايي به انرژي الکتريکي است.


سلول­هاي سوختي همانند يك نيروگاه بسيار كوچك الكتروشيمايي هستند كه از انجام واكنش بين هيدروژن و اكسيژن و انرژي حاصل از آن استفاده مي­كنند. بازدهي تبديل انرژي در اين سيستم بسيار بالاست و بسته به نوع سوخت مصرفي ميزان مواد خروجي از آن بسيار كم و يا در حد صفر است. سلول­ها يا همان پيل‌هاي سوختي كه با هيدروژن كار مي­كنند، فاقد هرگونه آلودگي بوده و مواد خروجي از آن‌ها صرفاً بخار آب خالص است. در شکل 1 اساس کار پيل سوختي نشان داده شده است.


خودروهاي پيل سوختي


به طور کلي خودروهاي پيل سوختي را مي­توان به دو دسته خودروهاي پيل سوختي خالص و خودروهاي پيل سوختي هيبريدي تقسم­بندي كرد.


در خودروهاي پيل سوختي خالص، خود توده به عنوان منبع توليد توان بوده و هيچ‌گونه باتري کمکي در آن استفاده نمي­شود. پيل سوختي مشابه باتري خودروهاي برقي جريان الکتريسيته مورد نياز موتور و نيروي محرکه را توليد مي­نمايد. سيستم نيرو محرکه شامل يک معکوس‌کننده براي تبديل جريان پيل سوختي از DC به AC با فرکانس و ولتاژ متغير، يک روتور AC و يک سيستم انتقال نيرو از موتور به چرخ­هاي ماشين است.


 


يک خودروي پيل سوختي ترکيبي داراي يک باتري با يک خازن با ظرفيت بالا به صورت موازي با سيستم پيل سوختي است.


پيل سوختي هيبريدي به طور هم‌زمان از بيش‌ترين بازده انرژي پيل سوختي و نيز چگالي توان بالاي موجود در باتري استفاده مي­کند. در هنگامي که مصرف انرژي بالاست مانند حالت شتاب، توان مورد نياز ماشين را باتري و مجموعي پيل سوختي تامين خواهند کرد. وقتي ميزان مصرف انرژي پايين باشد، مانند حرکت در خيابان، پيل سوختي توان مورد نياز را تامين مي­کند. باتري­ها در طي مدت 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 توليد ماکزيمم طراحي مي­شوند. انتخاب مجموعه باتري به عواملي چون هزينه و عملکرد پيل سوختي و فناوري ساخت باتري و سيکل حرکتي بستگي دارد. استفاده از باتري امکان راه اندازي سريع را به خودروي پيل سوختي داده و آن را در مقابل واکنش معکوس در پيل سوختي طي عملکرد توده محافظت مي­کند. به علاوه باتري حداکثر توان مورد نياز را تامين مي­کند. انرژي باز توليدي مي­تواند بازيابي شود. زمان پاسخ سيستم خودرو به تغييرات بار درحالت وجود باتري سريع­تر است. پيل سوختي ترکيبي داراي عملکرد خوب، زمان کارکرد طولاني و زمان سوخت­گيري سريع بوده و مسافت قابل توجهي را طي مي­کند.


توليد و ذخيره­سازي هيدروژن


هيدروژن مي­تواند مستقيما در خودرو ذخيره شود و يا اين که از تبديل متانول و يا هيدروکربن­هاي مشتق شده از نفت خام، با استفاده از مبدل­ها در خودرو، توليد شود.


متانول


يکي از مهم­ترين و مناسب­ترين گزينه­ها براي توليد هيدروژن مورد نياز براي خودروهاي پيل سوختي متانول است. متانول مي­تواند به دو صورت مستقيم و غير مستقيم در پيل­هاي سوختي مورد استفاده قرار گيرد.


در روش غير مستقيم، متانول با استفاده از يک مبدل سوختي خارجي تبديل به هيدروژن شده و هيدروژن حاصله در پيل سوختي مصرف مي­شود.


متانول و آب بخار شده در يک راکتور کاتاليستي با هم واکنش داده و دي­اکسيد کربن و هيدروژن توليد مي‌کنند. امروزه مبدل­هاي بخاري متانول در دماهاي بين 200 تا 300 درجه سانتي­گراد کار مي­کنند. يک مول متانول، سه مول هيدروژن توليد مي­کند. اين بدان معني است که يک مول هيدروژن اضافي، از آب مخلوطي ناشي شده است. در عمل واکنش بالا تنها يکي از مجموعه واکنش­هاي انجام شده است و مجموعه مواد حاصله از واکنش شامل هيدروژن، دي­اکسيد کربن و مونواکسيد کربن خواهد شد. مونواکسيد کربن طي يک مرحله واکنش در دماي بالا که بلافاصله با يک مرحله واکنش در دماي پايين به دي­اکسيد کربن و هيدروژن اضافي تبديل مي­شود. در هر دو مرحله واکنش تبديل گاز-مايع صورت مي­گيرد.


واکنش تبديل گاز-مايع واکنشي گرمازاست، بنابراين اگر گرماي زيادي توليد شود موجب کندي واکنش فوق مي­شود. پس در عمل براي جلوگيري از مشکل فوق در هر مرحله يک خنک­کن مياني قرار داده مي­شود. بهترين کاتاليزور براي واکنش تبديل دما بالا، مخلوطي از آهن و اکسيد کرم است که بهترين عملکرد آن در دماي 450 تا 550 درجه سانتي­گراد است. در واکنش تبديل دما پايين، کاتاليزور مس است که مشابه کاتاليزورهايي که در مبدل­هاي بخاري متانول به کار رفته بود است و در همان شرايط به کار مي­رود.


اما در روش مستقيم، متانول مستقيما وارد پيل سوختي متانولي شده و مصرف مي­شود. سيستم پيل سوختي متانولي با سيستم­هاي پيل سوختي پليمري هيدروژني متفاوت بوده و هنوز در مرحله تحقيقات قرار دارد. متانول با استفاده از ساير سوخت­هاي فسيلي از نسبت هيدروژن به کربن بالاتري برخوردار است که در حال حاضر با توجه به ميزان تقاضا و مصارف زياد آن در بسياري از مجتمع­هاي پتروشيمي توليد مي­شود.


 بنزين


يکي ديگر از جايگزين­هاي هيدروژن جهت استفاده در خودروهاي پيل سوختي بنزين است. به علت وجود زيرساخت قوي در زمينه­هاي توليد، حمل، ذخيره­سازي و توزيع بنزين، بسياري از محققان و شرکت­هاي خودروسازي معتقد به طراحي سيستم مبدل سوختي بنزيني براي توليد هيدروژن هستند. توليد مبدل­هاي سوختي بنزيني هنوز مانند مبدل­هاي متانولي فراگير نشده است. در اين روش سوخت فسيلي گازي يا مايع در حضور (بخار) آب و اکسيژن يا هوا به صورت جزيي اکسيد شده و تبديل به مخلوطي از گاز مي­شود که عمدتا هيدروژن و مونواکسيد کربن است. اين ترکيب را پس از گذراندن از صافي مي­توان مستقيما در پيل‌هاي سوختي دما بالا تزريق کرد.


دومين واکنش مهم براي توليد هيدروژن در مقياس صنعتي اکسايش جزيي است. اين روش وقتي که هيدروکربن­هاي سنگين­تر و يا زماني که اکسيژن خالص در دسترس است مورد استفاده قرار مي­گيرد. اين واکنش هنگامي که اکسيژن کمتري نسبت به مقدار استوکيومتري آن که براي توليد دي­اکسيد کربن و آب پايدار لازم است موجود باشد، رخ مي­دهد.


لازم به ذکر است که بنزين­هاي موجود که خوراک آند پيل­هاي امروزي را تشکيل مي­دهند داراي گوگرد و ساير مواد ناخالصي هستند که باعث مسموم شدن کاتاليست­هاي مورد استفاده در مبدل­هاي مربوطه مي‌شوند. از اين رو بنزين مصرفي خودروهاي پيل سوختي ­بايد داراي مشخصات ويژه­اي باشد. در مقايسه با ديگر سيستم­هاي پيل سوختي اين گونه سيستم­ها بازده کمتري دارند و ليکن بازده کلي آن‌ها بالاتر از موتورهاي احتراق داخلي بنزيني است.


خروجي پيل سوختي PEM با توجه به غلظت گاز هيدروژن ورودي به آند، متفاوت است. براي حالتي که از هيدروژن مستقيما در خودرو استفاده کنيم، گاز ورودي به آند، هيدروژن خالص خواهد بود، اما در صورت استفاده از مبدل بخار متانول، محتواي هيدروژن مخلوط ورودي به آند، حدود 75درصد حجمي و صورت استفاده از مبدل اکسايش جزيي بنزين، محتواي هيدروژن مخلوط ورودي به آند، حدود 35درصد حجمي خواهد بود. هرچه محتواي هيدروژن بيش‌تر باشد، عملکرد پيل سوختي بهتر است.


مبدل­هاي خودگرما


تلاش­هايي براي ترکيب نکات مثبت مبدل­هاي بخاري و اکسايش جزيي صورت گرفته است. در حالت ايده­آل براي شروع واکنش تبديل دو واکنش گرمازا انجام مي­گيرند تا گرماي لازم براي انجام واکنش گرماگير را فراهم آورند، که هر کدام مي­توانند در راکتورهاي مجزايي با تماس گرمايي خوب صورت گيرند. روش ترکيبي فوق به تبديل خود گرما موسوم است.


 مخازن هيدروژن پرفشار


امروزه معمولا در اکثر خودروهاي پيل سوختي از مخازن فشار بالا کامپوزيتي براي ذخيره هيدروژن استفاده مي­شود که علت آن ساده بودن ساختار آنها و راحتي شارژ و دشارژ اين مخازن است. مخازن فشار بالا بر اساس آيين­نامه به چهار دسته تقسيم مي­شوند.


بايد توجه داشت که ضربه‌پذيرترين بخش مخازن فشار بالا، محل اتصال نازل­هاي ورودي و خروجي است. حتي­الامکان بايد اين نقاط را به گونه­اي قرار داد تا در هنگام تصادف احتمالي وسيله نقليه، کم‌ترين آسيب به اين نقاط وارد آيد. مخازن گاز فشرده در مقايسه با مخازن بنزيني از ايمني بالايي برخوردارند.


ذخيره­سازي هيدروژن به صورت گاز فشرده داراي خصوصيات زير است:


  • وزن زياد منبع

  • حجم اشغالي نسبتا زياد

  • سادگي کنترل جريان از مخزن موتور

  • راحتي سوخت‌گيري مجدد

  • قيمت نسبتا مناسب

  • نياز به فناوري­هاي جديد

  • احتياج به عايق­کاري

 مخازن هيدروژن مايع


مطالعات نشان مي­دهد که انرژي مصرفي در مايع­سازي هيدروژن مي­تواند از ذخيره­سازي و توزيع ساده هيدروژن مايع، جبران شود. ساختمان مخازن هيدروژن مايع دوجداره ساخته مي­شود تا از اين طريق از تبخير هيدروژن جلوگيري شده و دماي مادون سرد هيدروژن مايع حفظ شود. مخازن جديد اين قابليت را دارند که با محدود کردن انتقال حرارت، از تبخير هيدروژن تا مقدار بسيار کمي در روز جلوگيري کنند. اگرچه مخازن مايع به لحاظ تاريخي داراي سابقه­اي طولاني هستند، اما به دليل محدود بودن اطلاعات و تجارب، تامين کنندگان محدودي در جهان دارند.


 


 


سيستم ذخيره هيدروژن در حالت مايع مشخصات زير را دارد:


  • هيدروژن تحويلي به موتور سرد است.

  • راندمان حجمي موتور افزايش مي­يابد.

  • کاهش مقدار اکسيدهاي نيتروژن خروجي از اگزوز (مهم‌ترين آلاينده توليد شده در موتورهاي هيدروژن سوز)

  • امکان انژکتوري کردن سوخت وجود دارد.

  • داراي هزينه زيادي است.

  • نياز به پمپ هيدروژن است.

  • زمان سوخت­گيري تقريبا مناسب است اما به علت فروسرد بودن هيدروژن مايع، عمل سوخت­گيري سوخت پرهزينه انجام مي­شود.

  • امکان نشت هيدروژن مايع به صورت گازي‌شکل وجود دارد (به علت تبخير)، پس بايد در سيستم‌هاي استفاده کننده از آن امکان خروج اين گازهاي توليدي وجود داشته باشد.

  • تماس هيدروژن مايع با جزء کربن فولاد به علت دماي بسيار پايين هيدروژن مايع، ممکن است باعث شکنندگي ساختار فولاد شود.

 نتيجه­گيري


با توجه به آلودگي روزافزون محيط زيست و محدوديت منابع سوخت­هاي فسيلي، به نظر مي­رسد که بهترين جايگزين موتور احتراق داخلي، پيل سوختي باشد. در اين مقاله پس از معرفي خودرو پيل سوختي، روش­هاي اصلي و صنعتي توليد و ذخيره­سازي هيدروژن و مزايا و معايب هر کدام به صورت مختصر براي استفاده در خودروی پيل سوختي، معرفي شد. مشخص شد که چالش اصلي استفاده از اين خودروها با توجه به زيرساخت‌هاي سوخت­رساني موجود در کشورهاي مختلف، چگالي کم هيدروژن و بحث ايمني، چگونگي ذخيره­سازي هيدروژن در خودرو است.


 

 

جواد قارلقي

ikcopress.com

براي ارسال مقالات خودتان در مورد خودرو و صنايع وابسته مي توانيد مقالات و مطالب خود را به همراه عكس و مشخصات شخصي خودتان براي ما ارسال نماييد   tcar.ir@gmail.com

نگاهي به فناوري استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروهاي پيل سوختي + سوخت هيدروژني + هيدروژن به جاي بنزين
نام:
ایمیل:
یادداشت:
آدرس اینترنتی:

تبلیغات ویژه
خدمات در محل کرمان موتور در تهران

badakhshan
تهران
تلفن: 09126437620

امداد خودرو خلیج فارس

mohamadi
تهران
تلفن: 09197008009

بیشتر بخوانید
قیمت روز خودرو