توضیحات

مدلسازی و شبیه سازی پیل سوختی هیدروژنی با متلب

در عصر حاضر، ذخيرة انرژي  به يك مسئله بسيار مهم تبديل شده است، زيرا منابع انرژي مانند سوخت­هاي فسيلي و گاز طبيعي  به صورت بي پايان در دسترس نخواهند بود و همچنين احتراق آنها يا محصولات پاياني حاصل از آنها با محيط زيست سازگار نيستند. يكي از  گزينه­ها براي اجتناب از اين مشكل، استفاده از هيدروژن به عنوان منبع انرژي مي­باشد. گاز هيدروژن يك سوخت تجديدپذير پاك، بسيار فراوان و غير سمي است كه با سوزاندن آن، تنها بخار آب به محيط زيست وارد مي­شود. هيدروژن حاوي انرژي در واحد وزن بسيار بالا (٣  برابر بيشتر از بنزين) و انرژي بسيار پايين در واحد حجم(٤ برابر كمتر از بنزين) است و  سريعتر از بنزين معمولي مي­سوزد. از اين رو، هيدروژن به عنوان يك حامل انرژي شناخته شده است، به اين معني كه هيدروژن، انرژي را در يك فرم قابل استفاده ذخيره و عرضه مي كند. از ويژگي جذاب هيدروژن، سازگاري طبيعي آن با پيل­هاي سوختي مي باشد. راندمان بالاتر هيدروژن (٦0%) در مقايسه با بنزين (٢2%) و يا ديزل (٤5%) راندمان مصرف انرژي آينده را بهبود مي بخشد. انتظار مي رود در آينده هيدروژن نقش بسيار مهمي را  در تحول جهاني به سمت سيستم هاي انرژي پاك، ايمن و  پايدار به ويژه در سيستم حمل و نقل ايفا كند. اگرچه هيدروژن داراي مزاياي فراواني است، ذخيره سازي آن يك چالش كليدي در فناوري هاي ذخيره مطمئن و مؤ ثر هيدروژن مي­باشد. فن­آوري ذخيره سازي هيدروژن مناسب براي كاربردهاي صنعتي بايد الزاماتي از قبيل درصد وزني بالا، تراكم بالا، سينتيك سريع براي /جذب واجذب، طول عمر چرخه بلندمدت و عملكرد امنيتي مناسبي را برآورده سازد.

ذخيره سازي هيدروژن يك فناوري كليدي براي پيشرفت فناوري استفاده از هيدروژن به عنوان حامل پاك انرژي و به كارگيري در پيل سوختي در زمينه حمل و نقل، كاربردهاي ايستگاهي و كاربردهاي پرتابل مي­باشد. به عنوان مثال ذخيره سازي هيدروژن در راستاي توسعه وسايل نقليه الكتريكي-سوختي^١ (FCEV) در صنعت خودرو بسيار حائز اهميت است. مرسوم ترين نوع ذخيره­سازي هيدروژن در صنايعي است كه هيدروژن را در محل مورد مصرف قرار مي دهند و اين مورد باعث مي­شود كه هيدروژن در محل به سرعت توليد و مورد استفاده قرار گرفته و خدمات مورد نياز را فراهم كند. هيدروژن را ميتوان در مقياس هاي بزرگ در مخازن و يا در غارهاي زيرزميني ذخيره كرد. قابليت ذخيره­سازي مخازن، به دليل نياز به مطابقت باتقاضاي بالاي مصرف كننده­ها، يك فاكتور تعيين كننده سوخت براي وسايط نقليه جاده­اي مي­باشد. به عنوان مثال مسافت طي شده در يك مدت زمان معين توسط وسايط نقليه رايج كه با سوخت مايع كار مي­كنند، به وضوح بالاتر از وسايل نقليه الكتريكي هستند كه با باتري برقي تأمين مي­شوند. مورد ذكر شده به اين دليل است كه توزيع ترن­هاي برق در حال حاضر به شدت محدود شده است. ترن­هاي با پيل­هاي سوخت هيدروژني مي­توانند در بازار وسيع خودرو وارد شوند؛ زيرا تنها رقباي بالقوه­اي هستند كه مي­توانند پاسخگوي اين مسئله مهم باشند.

شاید در حال حاضر گرمایش جهانی بزرگترین مسأله بشر باشد که حل کردن آن بسیار سخت است و وابستگی بیش از حد بشر به سوختهای فسیلی موجب این مشکل گردیده است. تنها راه حل این مشکل زیست محیطی تولید ماشینهای تجاری بدون انتشار آلودگی است. بر اساس محاسبات دانشمندان، با کاهش ۶۰٪ انتشار دی اکسید کربن، افزایش دی اکسید کربن در جو متوقف خواهد شد. اگر افزایش غلظت گازهای گلخانه ای محدود نگردد، تغییرات آب و هوا دچار مشکلات اساسی تر و بحران شدید می گردد. با توجه به چشم انداز پیش رو، تا انتهای نیمه نخست قرن جاری، بیشتر نیاز بشر برای تولید سوخت و انرژی به سوختهای زیستی و انرژیهای تجدید پذیر بر می گردد. تغییرات جهانی آب و هوا یک عامل است که ما را مجبور به تغییر انرژی غیر پایدار کنونی می کند. بهبود راندمان انرژی و روی آوری به منابع انرژی تجدید پذیر بهترین راه دستیابی به انرژی پایدار است.

به طور کلی، بررسی هیدروژن و معرفی آن به عنوان سوخت آینده، دلیل بر این نیست که دیگر سوختهای جایگزین در آینده هیچ جایی ندارند و باید به طور کامل کنار گذاشته شوند بلکه هر کشور باید با توجه به شرایط زیست محیطی اش تا آنجایی که امکان دارد، از منابع اولیه گوناگون به تولید سوخت های جایگزین بپردازد. به ویژه برخی سوختهای جایگزین چون بیوگاز که قابلیت تولید آن از مواد زاید شهری، فضولات دامی و … موجود می باشد یا بیودیزل که از پسماند انواع روغنهای خوردنی، سرخ کردنی و چربیهای حیوانی با کیفیت خوبی قابل تولید است.

از دهه ۱۹۸۰ مصرف انرژی و انتشار آلاینده های سیستم­های سوخت خودرو مورد توجه و ارزیابی قرار گرفت. در ابتدا خودروهای الکتریکی که توان خود را از باتری می گرفتند، معرفی شدند. در حال حاضر نیز سیستم حمل و نقل به خودروهای پیل سوختی علاقه مند شده است. در حالی که از دیدگاه عملکرد در خودرو آلودگی پیلهای سوختی صفر است ولی به هنگام تولید و توزیع سوخت (یعنی الکتریسیته و هیدروژن) مقداری آلاينده انتشار می یابد.

به این دلیل باید از نظر مصرف انرژی و انتشار آلاینده از این خودروها و دیگر سیستم های پیشرفته، مقایسه دقیقی با فن آوری های موتورهای احتراق داخلی رایج یعنی موتور های احتراق جرقه ای (بنزینی) و تراکمی (دیزلی) رایج صورت گیرد.

هیدروژن و تولید آن هیدروژن مطمئن ترین منبع انرژی است که یک سوخت تجدید پذیر است و می توان آن را از منابع انرژی تجدید پذیر به دست آورد. هیدروژن فراوان ترین ماده در جهان است که بیش از ۹۰٪ ترکیب جهان را می سازد. هیدروژن در آب و بیشتر مواد ارگانیک وجود دارد. هنگامی که از انرژی­های تجدید پذیر برای تولید هیدروژن استفاده شود، تولید و استفاده از آن بخشی از یک فرآیند پاک و چرخه ای است که هیچ آلودگی در گازهای حاصل از احتراق ندارد و یک سیستم انرژی با راندمان بالا و مقرون به صرفه است که به عنوان منبع اساسی انرژی پایدار در آینده شناخته می شود. هیدروژن را می­توان با استفاده از منابع انرژی گوناگونی چون سوختهای فسیلی مانند زغال سنگ و گاز طبیعی، به دام انداختن و جدا کردن کربن ، مواد تجدید پذیر از قبیل بیوماس و فناوریهای انرژی تجدید پذیر شامل خورشیدی، باد، زمین گرمایی و توان آبی و توان هسته ای تولید کرد. هیدروژن در دمایC°77/252- تقطیر و به مایع تبدیل می گردد. هیدروژن مایع در مقایسه با همه سوخت­ها ارزش حرارتی بالاتری دارد و انرژی بیشتری حمل می کند. انرژی موجود در 1 کیلوگرم هیدروژن با انرژی1/2 کیلوگرم گاز طبیعی یا 8/2 کیلوگرم نفت برابر است. هیدروژن سوختی با بیشترین انرژی است که از سوختن آن آب خالص و قابل آشامیدن به دست می آید .به طور کلی روش های تولید هیدروژن زیر مجموعه دو دسته کلی الکترولیز آب و پالایش سوخت­های فسیلی و بیوژنیک می باشند.

بیشتر هیدروژن جهان در حال حاضر از گاز طبیعی به دست می آید،یکی از متداول ترین سیستمهای تولید هیدروژن سیستم پالایش متان بخار می باشد. با بررسی هایی که انجام شده است، در حال حاضر هزینه تولید هیدروژن با استفاده از راکتورهای خورشیدی نسبت به سیستم پالایش متان بخار بیشتر است. یکی از راهکارهایی که مد نظر قرار گرفته است، استفاده از سیستم­های راکتور خورشیدی و پالایش متان بخار به صورت موازی است. منبع تغذیه در دو سیستم، گاز طبیعی است که از یک خط لوله می آید و از یک بستر اکسید روی می گذرد تا سولفید هیدروژن آن گرفته شود. گاز طبیعی تصفیه شده به هر دو سیستم راکتور خورشیدی یا پالایش متان بخار وارد می شود. هنگامی که انرژی خورشیدی کافی در دسترس باشد، بیشتر گاز طبیعی برای انجام فرایندهای راکتور خورشیدی استفاده می شود. در هنگامی که انرژی خورشیدی کافی نباشد، پالایش متان بخار با استفاده از گاز طبیعی و بخار هیدروژن تولید می کند. با کاهش قیمت و هزینه در بخشهای گوناگون سیستم راکتور خورشیدی، در اینده سیستم راکتور خورشیدی اقتصادی تر خواهد شد و نسبت به سیستمSMR مزایای فراوانی خواهد داشت.

هیدروژن هنگامی اقتصادی می شود که فناوری کافی برای ذخیره آن وجود داشته باشد. یافتن یک روش مقرون به صرفه برای ذخیره هیدروژن در خودرو بسیار مهم است. با اینکه از نظر وزنی هیدروژن نسبت به دیگر حامل­های انرژی، بیشترین انرژی را دارد ولی از جنبه حجمی کمترین انرژی را دارد. درنتیجه ذخیره مقدار زیادی هیدروژن در فضای کم، برای مثال مخزن سوخت خودرو، مشکل است. پاکیزه ترین روشی که تاکنون برای تولید هیدروژن توسعه یافته است، الکترولیز با استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر است. در این روش ها از فناوری های انرژی تجدید پذیر همچون فناوری های بادمی، خورشیدی، زمین گرمایی و هیدروترمال برای تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده می شود. در این زمینه استفاده از انرژی خورشیدی بسیار نویدبخش می باشد و پروژه های زیادی روی استفاده از انرژی خورشیدی برای تجزیه آب در تمام دنیا در حال انجام است تا با کاهش هزینه و افزایش طول عمر این فرآیند، کارآیی آن افزایش یابد و امکان رقابت هیدروژن با سوختهای کربنی در مقیاس صنعتی فراهم شود. با بررسی های انجام شده، مقدار زمینهای کشاورزی برای تولید سوختهای جایگزین چون بیواتانول کافی نمی باشد.

از هیدروژن می توان به صورتهای گوناگون در حمل و نقل استفاده کرد. نخستین کاربرد منطقی هیدروژن در مقیاس گسترده به عنوان سوخت جایگزین در وسایل نقلیه سبک، کامیونهای سبک و اتوبوسها می باشد. از آنجا که در مقایسه با بنزین گرانتر است، مصرف کننده به شرطی از هیدروژن استفاده می کند که از هیدروژن در خودروهای پیشرفته با مصرف سوخت کمتر چون خودروهای پیل سوختی استفاده شده باشد که در این سیستمهای پیشرفته، هزینه هیدروژن نسبت به بنزین در خودروهای متداول کمتر است. سلولهای فتوولتاییک نور خورشید را به صورت مستقیم به الکتریسیته تبدیل می کند. با استفاده از سیستم الکترولیز می توان انرژی خورشید را با تبدیل به هیدروژن ذخیره کرد. الکترولیز آب را به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می کند. هیدروژن گازی را می توان به سادگی در یک پیل سوختی به توان الکتریکی تبدیل کرد. پیلهای فتوولتاییک و سوختی هیچ قسمت متحرکی ندارند. قابل اطمینان اند و بیش از ۲۰ سال دوام دارند. باتوجه به هزینه های تخمین زده شده برای تولید هیدروژن به ازای هر کیلوگرم هیدروژن با فن آوری­های زمان حال و آینده، هزینه تولید هیدروژن از گاز طبیعی، زغال سنگ و بنزین نسبت به بیوماس یا انرژی­های خورشیدی فتوولتاییک و انرژی باد بسیار کمتر است که با توجه به پیشرفت فن آوری در زمینه سوختهای فسیلی و نبود زیر ساخت گسترده در زمینه انرژی های تجدید پذیر این نتایج قابل پیش بینی بود. از طرف دیگر، با گذشت زمان و ایجاد زیر ساختهای مناسب و کاهش هزینه های تولید،تفاوت هزینه تولید هیدروژن به دست آمده از انرژی­های تجدید پذیر با هیدروژن حاصل از سوختهای فسیلی بسیار کاهش می ­یابد.  به منظور پایداری منابع انرژی، پشتیبانی از محیط زیست و بهبود کیفیت زندگی، به یک فناوری نیاز است که نیاز انرژی دنیا را برآورده سازد و به اندازه کافی پاک باشد تا در جهت کاهش زیان­های محیط زیستی کمک کند. این فناوری پیل­های سوختی هیدروژنی است که در خودروها، نیروگاه های بزرگ، حمل و نقل و کاربردهای پزشکی توانایی تولید الکتریسیته دارد. توسعه پیل سوختی با هیدروژن خورشیدی باید از جنبه اقتصادی بهبود یابد و هزینه اجزاء آن کاهش یابد. دوام و کارکرد آن هم باید قابل قبول باشد. اگرچه نخستین منبع تولید هیدروژن گاز طبیعی است ولی هزینه تولید و تحویل هیدروژن از یک پالایشگاه کوچک گاز طبیعی براییک خودرو پیل سوختی با فناوریهای امروز برای هر میلیونBTU بین۴۰ تا ۵۰ دلار است. بر این اساس هزینه هیدروژن چهار برابر بنزین در پمپ است. اگر بخواهیم با استفاده از مقدار کافی هیدروژن مایع۱kWh توان تولید کنیم. برای تولید این مقدار هیدروژن مایعkWh۳٫3 انرژی اولیه نیاز است. باید قبل از اینکه سیستم­های توان پیل سوختی قابل رقابت با فناوریهای متداول باشند، هزینه شان کاهش یابد. در حال حاضر هزینه موتور های احتراق داخلی، حدود KW/ 35$- 25$است که برای کاربرد در حمل و نقل هزینهیک سیستم پیل سوختی باید به kW/30 $ کاهش یابد تا قابل رقابت باشد. بسته به نوع موتور احتراق داخلی ، نوع سوخت با نوع پیل سوختی خودروهای هیبریدی متفاوت می باشند و نام­گذاری آنها بر این اساس صورت می گیرد. در سیستمهای رانش پیشرفته تر بیشتر از هیدروژن که سوخت آینده شناخته شده است، استفاده می شود. با توجه به اینکه هزینه ها و میزان انتشار آلاینده ها بسته به روش تولید سوخت متفاوت می باشد، در نتیجه به هنگام بررسی و مقایسه سیستمهای رانش باید نوع سوخت و روش تولید آن نیز مد نظر قرار گیرد که این بررسی ها بر اساس آناليز چاه به چرخ صورت می گیرد.  انواع خودروهای هیدروژنی به هنگام احتراق در خودرو هیچ گاز دی اکسید – کربنی منتشر نمی کنند. فرآیند تولید هیدروژن از زغالسنگ، به نسبت دی اکسید کربن زیادی منتشر می کند. از تولید هیدروژن از گاز طبیعی نسبت به زغال سنگ دی اکسید کمتری انتشار مییابد و در کل از خودروهای پیل سوختی که هیدروژن مصرفی آنها از گاز طبیعی تولید می شود، نسبت به دیگر سیستم­ها که اساس سوخت آنها از سوختهای فسیلی است آلاینده کمتری منتشر می شود.از خودروهای پیل سوختی که هیدروژن آنها از انرژیهای تجدید پذیر به دست می آید کمترین میزان دی اکسید کربن انتشار می­یابد ولی بر اساس بررسی های انجام شده هزینه ایجاد زیر ساختهای مورد نیاز زیاد است و همین عامل تولید هیدروژن تجدید پذیر را در حال حاضر با مشکل مواجه کرده است. دو راه اصلی تولید هیدروژن، پالایش گاز طبیعی و الکترولیز آب می باشند. همچنین به روشهای تولید هیدروژن به صورت مرکزی و در ایستگاه گاز به همراه تولید از نیروگاه های تولید توان الکتریکی به صورت مخلوط و از توان انرژی باد توجه شده است.

با توجه به بحران آلودگی محیط زیست و تمام شدن زود هنگام سوختهای فسیلی، بی شک باید به سوختهای جایگزین و سیستمهای رانش پیشرفته در خودروها روی آورد. در بیشتر سیستمهای رانش پیشرفته، از جمله خودروهای هیبریدی هیدروژنی و پیل سوختی، سوخت خودرو هیدروژن است که با توجه به بررسی ها و مقایسه­های انجام شده عامل تعیین کننده در انتشار آلاینده و مصرف انرژی روش تولید هیدروژن و منبع تولید آن می باشد. خودروهای پیل سوختی و در کل خودروهای هیدروژنییکی از مناسب ترین خودروها در جهت بهبود امنیت و کاهش آلودگی های محیط زیست خواهد بود. ولی در حال حاضر به دلیل نبود فن آوری پیشرفته در زمینه این فناوری و همچنین نبود جایگاه های سوخت گیری مناسب استفاده از آن مقرون به صرفه نمی باشد. ولی در آینده نزدیک، هیدروژنیکی از سوخت های اصلی خودروهای سواری می شود. با مقایسه سیستمهای رانش پیشرفته بر اساس آنالیز چاه به چرخ، از جنبه انتشار آلاینده ها خودروهای پیل سوختی که هیدروژن آنها از منابع تجدید پذیر تهیه شده باشد، کمترین آلاینده را منتشر می کنند. از لحاظ هزینه و مصرف انرژی برای تولید، فناوری پیل سوختی نسبت به سیستم­های متداول بنزینی و دیزلی و موتورهای احتراق داخلی با سوخت جایگزین و همچنین دیگر سیستمهای رانش پیشرفته گرانتر است و برای تولید آن به انرژی بیشتری نیاز است. با بررسی ها و پیش بینی های صورت گرفته هزینه خودروهای پیل سوختی در آینده تا حد زیادی کاهش مییابد به گونه ای که با دیگر سیستم­های رانش قابل رقابت خواهد بود. نکته مهمی که باید به آن اشاره شود این است که حتی اگر در آینده هزینه پیلهای سوختی هیدروژنی از دیگر سیستم­های رانش همچنان بیشتر باشد، این واقعیت که هیدروژن تجدید پذیر، تنها سوختی است که در آینده توانایی جایگزینی سوختهای فسیلی را دارد، سیستم­های رانش غیر هیدروژنی در آینده، نقش گسترده ای نخواهند داشت.

پيل هاى سوختي PEM داراى ويژگي هايي همچون بالابودن دانسيته توان(>1 MW/m³ stack) [37]، وزن كمتر،زمان راه اندازى كوتاه، آلودگي صوتي كم، پائين بودن دماى عملكرد، عدم وجود قطعات و قسمتهاى متحرك، دارا بودن الكتروليت جامد و  خوردگي كمتر مي باشند كه موجب گرديده در كاربردهاى خودروئي جاذب باشند، البته مشكلاتي همچون قيمت نسبتاً بالا و نبود زيرساختهاى تاٌمين سوخت از عمده مشكلات پيش روى خودروسازان در استفاده از اين تكنولوژى مي باشد. يك انباره (stack) پيل سوختي براى توليد انرژى به تجهيزات جانبي مانند سيستم تأمين هواى ورودى، سيستم ذخيره و تأمين هيدروژن، سيستم تنظيم رطوبت و سيستم كنترل دماى انباره نياز دارد و هر يك از اين سيستمها داراى ديناميك متفاوتي مي باشند. بطوركلي شش زير سيستم اصلي وجود دارد.

1. زير سيستم تغذيه هوا به كاتد
2. زير سيستم تغذيه هيدروژن به آند
3. زير سيستم تغذيه آب ديونيزه شده براى خنك كارى
4. زير سيستم مرطوب كننده هيدروژن و هواى ورودى توسط آب ديونيزه شده
5. زير سيستم تثبيت كننده توان

ورودی ها و خروجي هاى اصلي سيستم پيل سوختي هیدروژنی:

قسمتی از کد متلب:

منحنی های قطبیت و توان پیل سوختی:

نمودارهای ولتاژ و جریان و توان انباره(stack)

بلوک مدل در سیمولینک متلب