نویسنده : مهندس فردین محمودی
چکیده:
پیل های سوختی فناوری جدیدی برای تولید انرژی هستند که بدون ایجاد آلودگیهای زیست محیطی و صوتی، از
ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده، انرژی الکتریکی با بازدهی باال تولید میکنند. تولید مستقیم الکتریسیته
بدون محدودیت ترمودینامیکی چرخه کارنو جهت تبدیل انرژی شیمیایی حاصل از سوخت به انرژی گرمایی و مکانیکی
و در نهایت الکتریسیته است که اتالف انرژی را به حداقل مقدار ممکن میرساند و به بازده تئوری باالیی دست پیدا
میکند. در پیلهای سوختی اکسید جامد سرامیکی )اکسید سرامیک( رسانای یون در الکترولیت است و از اهمیت
بسزایی برخوردار است. این پیل در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد کار میکند و با بازده در حدود ۶۰ درصد،
توان الکتریکی معادل ۱۰۰ مگاوات دارد. در حال حاضر تعداد زیادی از محققان روی جنبههای مختلف پیل سوختی
اکسید جامد، جهت بهبود خواص پیل کار میکنند.باتوجه به این که بشتر کره زمین را آب فرا گرفته است جهت حمل
و نقل بهترین راه دریاها می باشند و ایجاد سوخت مناسب و تجدید پذیر بسیار حائز اهمیت می باشد.
واژگان کلیدی :
پیل سوختی ، صنایع دریایی ، پیشرانش مستقل از هوا ، عدم آلودگی زیست محیطی
مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت های فسیلی که ۸۰ درصد انرژی زمین را تأمین میکنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول
اینکه ذخایر این سوخت ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوختهای فسیلی از عوامل اساسی
ایجاد مشکالت زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوههای یخی، باال آمدن سطح
دریاها، بارانهای اسیدی، از بین رفتن الیه ازن و … هستند.
در اوایل سال ۱۹۷۰ استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکالت ناشی از مصرف سوختهای فسیلی پیشنهاد شد.
هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگیهای فراوان است. هیدروژن سبکترین، تمیزترین و پربازدهترین سوخت به
حساب می آید. یکی از ویژگیهای هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیل های سوختی می تواند
به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی باالتر از راندمان یک موتور احتراق
داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. عالوه بر این سوخت، سوختهای دیگری
نیز همچون الکلها به خصوص متانول و اتانول به دلیل چگالی باالی انرژی و آسانی ذخیرهسازی و حمل آن ها نیز مورد
توجه قرار گرفتهاند.
پیل سوختی اساساً وسیلهای است که سوخت )مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و…( و اکسیدان )مانند هوا و
اکسیژن( را به برق، آب و حرارت تبدیل میکند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باتری بوده ولی بر خالف باتری
نیاز به انبارش )شارژ( ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد پیل های
سوختی به عنوان منبع تولید انرژی الکتریکی در شناورها از پتانسیل عظیمی برخوردار هستند. از پیل های سوختی
در کشتی های تجاری و نظامی می توان در مواردی همچون
-1 تامین برق اضطراری.
-2تولید انرژی الکتریکی، خصوصا در آبها و بنادری که قوانین زیست محیطی سختی در آنها حاکم است.
-3تولید بخشی از توان الزم برای ایجاد نیروی رانش در شرایط کاری خاص همانند حرکت با سرعت زیاد.
-4 تولید توان الکتریکی برای شبکه برق کشتی و در صورت نیاز برای ایجاد رانش در کشتی هایی که مجهز به
سیستم رانش الکتریکی هستند )همانند شناورهای نظامی دارای سیستم یکپارچه الکتریکی(، عالوه بر این پیل
سوختی برای اجرای طرح سیستم پیشرانش مستقل از هوا بر روی زیر دریایی ها از جایگاه ویژه ای برخوردار است.
مبانی نظری
پیلهای سوختی فناوری جدیدی برای تولید انرژی هستند که بدون ایجاد آلودگیهای زیست محیطی و صوتی، از
ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده، انرژی الکتریکی با بازدهی باال تولید میکنند. تولید مستقیم الکتریسیته
بدون محدودیت ترمودینامیکی چرخه کارنو جهت تبدیل انرژی شیمیایی حاصل از سوخت به انرژی گرمایی و مکانیکی
و در نهایت الکتریسیته است که اتالف انرژی را به حداقل مقدار ممکن میرساند و به بازده تئوری باالیی دست پیدا
میکند. . در بنادر به منظور حفظ محیط زیست، می توان موتورهای دیزلی را خاموش نمود و برق سیستم های جانبی
به طور محدود توسط بنادر با استفاده از پیل سوختی تأمین کرد. اما مصارف سیستم های جانبی شامل روشنایی،
گرمایش و سرمایش، برق تجهیزات، سیستم اضطراری، آشپزخانه و غیره )به ویژه بخش هتلداری کشتی های مسافری(
زیادتر از میزان برق تأمین شده از سوی بندرگاه است. باتری های بزرگ برای مدت محدودی میتوانند کسری برق
کشتی را تأمین کنند و به سرعت دشارژ میشوند. در این حالت پیل های سوختی که به سبب فقدان آالیندگی مجاز به
فعالیت میباشند، کارایی باالیی را از خود نشان میدهند. از ویژگی های پیل سوختی این است که برای هر مجموعه از
موارد مصرفی مزبور، میتوان پیل سوختی متناسب با همان نیاز را نصب نمود. اخیراً در بعضی بنادر، خاموش کردن
موتورهای دیزلی حتی در بدو ورود به حوضچه بندرگاه ها هم الزم االجرا شده است. قرار است که آنها توسط یدک کش
های غیر آالیندهبه کنار اسکله ها هدایت شوند. سقف میزان استفاده از باتری ها با محدودیت های ناشی از وزن و قیمت
معینمیشود. بنابراین برای مصارف انرژی متوسط و چرخهی فعالیت هایی که اجازه می دهند شناور مرتباً به کنار ساحل
رفته و شارژ گردد، باتری کاربری خوبی دارد. اما پیل های سوختی را میتوان با قدرت های متفاوت برای قایق ها، فری
بوت ها و کشتی ها ساخت. طبق یک مطالعه انجام شده، اگر فاصله بین مبدأ تا مقصد فریبوت (Boat Ferry (کمتر از
24 کیلومتر باشد، پیشران برقی )باتری( مطلوب و بیش از آن مسافت، پیل سوختی به صرفهتر است.
شرکت گرین سیتی در حال ساخت یک فری با سفرهای رفت و برگشتی است که دارای ظرفیت 150 مسافر و 30
موتورسیکلت برای حمل در آبراه های استکهلم سوئد است. این فری از پیشرانهای دوگانه پیل سوختی و باتری، هر
یک با قدرت 500 کیلووات استفاده میکند. پیل سوختی توسط شرکت کانادایی (RedRock (تأمین میشود. نکته مهم
اینست که در سواحلِ مبادی و مقاصد سفرها، باید امکانات سوختگیری هیدروژن و شارژ سریع باتری ها به تعداد کافی
وجود داشته باشند. برخی از فریهای سبک از بدنه آلومینیوم ساخته میشوند تا پس از سرعت گرفتن، بخشی از بدنه
آنها از آب بیرون رفته و در این حالت با مقاومت 50 درصدی روبرو گردند. البته بدنههای جدید از فیبر کربن ساخته
میشوند که 30 درصد از آلومینیوم سبکتر هستند .
مسئله جایگاه های سوختگیری در سواحل و بنادر بسیار مهم است. در رابطه با شناورهای متوسط، توان ساخت پیل
های سوختی تا یک مگاواتی کامالً وجود دارد. البته با موازی قرار دادن پیل های سوختی )مثالً 200 کیلوواتی( کنار
یکدیگر در یک مجموعه، توان یک تا 3 مگاواتی نیز قابل حصول است. به عنوان نمونه در
در لیون فرانسه یک یدککش جلوبرنده دوبه در رودخانه رُن و یک فری مسافری در شبکه حمل و نقل محلی نروژ فعال
هستند. هر دو آنها دو مجموعه پیل سوختی با توان های 400 و 600 کیلووات و مخازن هیدروژن )اولی به صورت گاز
فشرده و دومی مایع( دارند.
پیشینه پژوهش
در سال ۱۸۳۹ ویلیام گرو]۱[ فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد )شکل ۱-۲(. گرو،
چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته بهکار برد.
الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچکتر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل میکرد)1(
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال ۱۸۸۹ بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند]۱[ و چارلز لنجر]۲[
ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تالشهایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال ۱۹۹۵ پیل سوختی
قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
از سال ۱۹۶۰ سازمان فضایی آمریکا )ناسا( از پیلهای مزبور در سفینههای جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و
تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فنآوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو بهکار
گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال ۱۹۷۰ توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با
سرمایهگذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فنآوری
پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت باالرد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیردریایی که در آن از پیل سوختی
استفاده میشد بهعنوان پیشرو این صنعت در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال ۲۰۰۰ میالدی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد
بهرهبرداری قرار گرفت که توان پرواز طوالنی )شش ماه( بدون وقفه را دارد.
پیشرفتهای بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیلها و افزایش بازده کارآیی آنها میباشد تا این
پیلها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند.
[۱]Ludwig Mond
[۲]Charles Lenjer
[۱] William Grove
ساختمان پیل سوختی و نحوه عملکرد
هر پیل سوختی از سه جزء اصلی تشکیل شدهاست: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشا. گاز هیدروژن که به
عنوان سوخت به کار میرود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش مییابد. طی این
واکنش یون هیدروژن مثبت و الکترون تولید میشوند. یونهای هیدروژن به همراه الکترونها از کاتد به آند انتقال
مییابند. انتقال یونهای هیدروژن از طریق الکترولیت و انتقال الکترون از طریق یک مدار خارجی صورت میگیرد.
اکسیژن موجود در کاتد با الکترونها و یونهای هیدورژن واکنش داده، آب تولید میکند .
تصویر پیل سوختی
یافتههای پژوهش مزایا
-1 پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندان سوختهای فسیلی را حذف نموده و تنها محصول جانبی آن آب میباشد-2
در صورتیکه هیدروژن مصرفی حاصل از الکترولیز آب باشد نشر گازهای گلخانه ای به صفر میرسد-3 به دلیل وابسته
نبودن به سوختهای فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی اقتصادی کشورهای ناپایدار اقتصادی را حذف
میکند-4از سوختهای تجدید پذیر استفاده شده و عامل گرمایش زمین را حذف میکند-5 با نصب پیلهای سوختی
نیروگاهی کوچک، شبکه غیرمتمرکز نیرو گسترده میگردد-6 پیلهای سوختی راندمان باالتری نسبت به سوختهای
فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارد. -7هیدروژن در هر مکانی از آب و برق تولید میگردد؛ لذا پتانسیل تولید
سوخت، غیرمتمرکز خواهد شد-8اکثر پیلهای سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی صدا هستند-9انتقال
گرما از پیلهای دما پایین بسیارکم میباشد لذا آنها برای کاربردهای نظامی مناسب خواهند شد-10زمان عملکرد آنها
از باتریهای متداول بسیار طوالنیتر است. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفی میتوان زمان عملکرد را دو برابر نمود
و نیازی به دو برابر کردن خود پیل نمیباشد-11سوخت گیری مجدد پیلهای سوختی به راحتی امکانپذیر میباشد و
هیچگونه اثرات حافظهای بر جای نمیگذارد-12بعلت عدم وجود اجزای متحرک، نگهداری از آنها بسیار ساده و آسان
میباشد-13نصب و بهرهبرداری از پیلهای سوختی بسیار ساده و مقرون به صرفه است-14پیلهای سوختی ماژوالر
میباشند یعنی براحتی توان تولیدی از آنها قابل افزایش است-15این مولدها قابلیت تولید همزمان برق و حرارت را
دارند-16 امکان استفاده از سوختهای تجدیدپذیر و سوختهای فسیلی پاک در آنها وجود دارد.
-17به میکروتوربینها متصل میگردند-18پیل سوختی به تغییر بار الکتریکی پاسخ میدهد-19پیل سوختی امکان
تولید برق مستقیم با کیفیت باال را دارد-20.چگالینیروی باالییدارد-21میزان بازدهی آنها نسبت به سلولهای دیگر
بیشتر است.
زمینههای مختلف استفاده از پیلهای سوختی
-1استفاده در صنعت کشتی سازی و زیر دریایی ها)صنایع دریایی(
-2استفاده در بنادر
-3حمل ونقل )خودروهای سواری و وسایط نقلیه عمومی(
-4نیروگاهها )نیروگاههای متمرکز و غیرمتمرکز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی(:پیلهای سوختی به دلیل آرام و بی
صدا بودن برای تولید برق محلهای گزینه خوبی محسوب میشوند. به عالوه کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق،
از گرمای تولیدی این نیروگاهها میتوان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.
-5 وسایل الکترونیکی قابل حمل )تلفنهای همراه، رایانههای شخصی و …(
-6صنایع نظامی: پیلهای سوختی که در دمای پایین کار میکنند در تانکها، زرهپوش ها و خودروهای نظامی استفاده
میشوند. نداشتن قطعه متحرک در این نوع پیلهای سوختی باعث کاهش صدا شده و به دلیل کارکرد در حرارت
پایین ردیابی آنها مشکل تر از خودروهایی با موتور درون سوز میباشد.
.نتیجهگیری
از طریق این کار مروری ، مشاهده شده است که بسیاری از مطالعات بر روی تجمع سلول های سوختی و تخریب باتری
ها و نحوه مدل سازی تکامل عملکرد آنها متمرکز شده است. مکانیسم های تخریب که در سطح همه اجزای یک سیستم
پیل سوختی کامل هیبریدی اتفاق می افتد نیز ارائه شده است. با این حال ، می توان دریافت که تخریب مواد جانبی
پیل سوختی به سختی مورد بررسی قرار گرفته است و اگرچه مکانیسم های تخریب مشخص شده اند ، اما تکامل
عملکرد آنها یک مسیر تحقیقاتی است که باید مورد بررسی قرار گیرد. در مورد مدل سازی تخریب پشته های سوختی
، روشهای زیادی در نوشتار ، مدلهای مبتنی بر فیزیک ، داده محور و برخی مدلهای ترکیبی منتشر شده است. اکثر مدل
های مبتنی بر فیزیک شبه ساکن هستند و رفتار پویا را در نظر نمی گیرند. مدل های داده محور رفتار پویا را در نظر می
گیرند اما برای ساختن مدل به حجم زیادی داده نیاز دارند. به نظر می رسد روشهای ترکیبی در کنار کاهش مزایا ،
مزایای زیادی را ترکیب می کند. قوانین تجزیه پیل های سوختی هنوز به طور کامل تسلط ندارند ، مدل های جعبه سیاه
مانند شبکه های عصبی برای یادگیری و پیش بینی از دست دادن عملکرد استفاده می شود. به لطف یک مدل ترکیبی
، رفتار در آغاز زندگی )بدون تخریب( می تواند بدون نیاز به حجم زیادی از داده ها بازتولید شود و به موازات آن ، یک
ابزار یادگیری ماشین می تواند به صورت آنالین برای یادگیری و تلفات عملکرد را در طول عمر سیستم پیش بینی کنید.
در مورد باتری ، مناسب ترین روش مدل سازی بر اساس مدل مدار الکتریکی است. آنها به مقدار زیادی داده نیاز ندارند
و نیاز به محاسبات نیز کم است. با تشکر از چنین مدلی می توان رفتار پویا را بازتولید کرد و ابزار قادر خواهد بود در
زمان واقعی هر دو شاخص سالمت را برآورد کند.
References
- IEA Global CO2 Emissions Rebound by Nearly 5% in 2021, Approaching the 2018–2019 Peak. Available
online: https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2021/co2-emissions (accessed on 31 July
2022). - IEA Energy Statistics Data Browser. Available online: https://www.iea.org/data-and-statistics
(accessed on 31 July 2022). - IMO. Fourth IMO Greenhouse Gas Study. Int. Marit. Organ. 2021, 197–212. [Google Scholar]
- Elkafas, A.G. Advanced Operational Measure for Reducing Fuel Consumption Onboard Ships. Environ.
Sci. Pollut. Res. 2022, 29, 90509–90519. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed] - IMO. Initial IMO Strategy on Reduction of GHG Emissions from Ships. RESOLUTION MEPC.304(72);
IMO: London, UK, 13 April 2018. [Google Scholar] - Elkafas, A.G. Implementation of Liquefied Natural Gas as a Marine Fuel to Reduce the Maritime
Industries Climate Impact. Nav. Eng. J. 2022, 134, 125–135. [Google Scholar] - DNV.GL Maritime Forecast to 2050. Energy Transition Outlook 2019. Available online:
https://sustainableworldports.org/wp-content/uploads/DNV-GL_2019_Maritime-forecast-to-2050-
Energy-transition-Outlook-2019-report.pdf (accessed on 30 November 2022). - Huang, M.; He, W.; Incecik, A.; Cichon, A.; Królczyk, G.; Li, Z. Renewable Energy Storage and
Sustainable Design of Hybrid Energy Powered Ships: A Case Study. J. Energy Storage 2021, 43, 103266.
[Google Scholar] [CrossRef] - Altosole, M.; Benvenuto, G.; Campora, U.; Laviola, M.; Trucco, A. Waste Heat Recovery from Marine
Gas Turbines and Diesel Engines. Energies 2017, 10, 718. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version] - Singh, D.V.; Pedersen, E. A Review of Waste Heat Recovery Technologies for Maritime Applications.
Energy Convers Manag. 2016, 111, 315–328. [Google Scholar] [CrossRef] - Elkafas, A.G.; Shouman, M.R. Assessment of Energy Efficiency and Ship Emissions from Speed
Reduction Measures on a Medium Sized Container Ship. Trans. R. Inst. Nav. Archit. Int. J. Marit. Eng.
2021, 163, 121–132. [Google Scholar] [CrossRef] - Elkafas, A.G.; Shouman, M.R. A Study of the Performance of Ship Diesel-Electric Propulsion Systems
from an Environmental, Energy Efficiency, and Economic Perspective. Mar. Technol. Soc. J. 2022, 56, 52– - [Google Scholar] [CrossRef]
- Ampah, J.D.; Yusuf, A.A.; Afrane, S.; Jin, C.; Liu, H. Reviewing Two Decades of Cleaner Alternative
Marine Fuels: Towards IMO’s Decarbonization of the Maritime Transport Sector. J. Clean. Prod. 2021,
320, 128871. [Google Scholar] [CrossRef]Application of fuel cells in marine industries
Author: Engineer Fardin Mahmoudi
Abstract
Fuel cells are a new technology for energy production that produces highefficiency electrical energy from the direct combination of fuel and oxidizer
without causing environmental and noise pollution. The direct production of
electricity without the thermodynamic limitation of the Carnot cycle is used to
convert chemical energy from fuel into thermal and mechanical energy and finally
electricity, which minimizes energy loss and achieves a high theoretical efficiency.
In fuel cells, ceramic solid oxide (ceramic oxide) is the conductor of ions in the
electrolyte and is very important. This battery works at a temperature between
600 and 1000 degrees Celsius and has an electrical power equivalent to 100
megawatts with an efficiency of about 60%. Currently, a large number of
researchers are working on different aspects of the solid oxide fuel cell in order
to improve the properties of the cell. Considering that most of the earth is
covered with water, seas are the best way for transportation and creating a
suitable and renewable fuel. It is very important.