پیل سوختی و فن آوری نانو

بدضعیفمتوسطخوبعالی (3٫10 از 5)
Loading...

هیدروژن

در طول  تاریخ زندگی بشر،همیشه میل به پیشرفت در وی دیده می شود.بشر در طول تاریخ از مواد مختلفی برای سوخت بهره برده است که در ذیل به توضیح در مورد آن ها می پردازیم:

زیست توده

زیست توده عبارت است از چوب و شاخه ی درختان و سایر مواد قابل اشتعال.این مواد از زمانی که بشر آتش را کشف کرد،مورد استفاده قرار گرفته اند.هم اکنون نیز در برخی از کشور های عقب مانده و محروم از زیست توده به عنوان سوخت استفاده می شود.استفاده از زیست توده بحرانی جدّی محسوب می شود؛زیرا بازده کمی دارد و بنابراین میزان استفاده از این نوع سوخت افزایش می یابد که صدمات جبران ناپذیری به محیط زیست و جنگل ها وارد می کند

زغال سنگ

زغال سنگ ماده ای است که از فسیل شدن برخی از گیاهان به دست می آید.این ماده از کربن که عنصر اصلی مواد اشتعال زا می باشد،تشکیل شده است.پس از کشف زغال سنگ،از آن استفاده گسترده ای در صنایع و از جمله در ماشین بخار لوکومتیو گردید.

نفت و مشتقات آن

می توان گفت که همه انسان ها کم و بیش با این ماده آشنایی دارند.در حال حاضر انسان برای تامین انرژی دستگاه های خود از نفت و مشتقات مختلف آن که مهم ترین آن بنزین است استفاده می کند.وی به علت ارزش بالای نفت آن را طلای سیاه نامیده است.این ماده از فسیل موجودات ریزی به نام پلانگتون ها که در دریاها و اقیانوس ها زندگی می کنند،به وجود می آید.جالب اینجاست که تولید نفت میلیون ها سال طول می کشد؛در حالی که مصرف آن در مدّ کمی انجام می شود.

این ماده از کنار هم قرارگرفتن عناصر کربن و هیدروژن به وجود می آید.نفت خود متشکل از هزاران ترکیب شیمیایی می باشد که به آن ها هیدروکربن می گویند.این مواد در برج تقطیر جداسازی می شوند.از مواد به دست آمده در بسیاری در بسیاری از دستگاه ها به عنوان سوخت استفاده می شود. همان طور که گفته شد،با افزایش،میزان استفاده از نفت بسیار بالاست و این منابع ارزشمند رو به پایان هستند.از طرفی سوختن این مواد آلودگی زیست محیطی بسیاری تولید می کند؛بنابراین باید به فکر سوختی جایگزین برای نفت بود.حال این پرسش مطرح می شود که کدام ماده مناسب تر است و چگونه می توان از آن استفاده نمود؟این پرسش است که در ادامه مقاله پاسخ آن را خواهیم فهمید.

گاز طبیعی

گاز طبیعی یکی دیگر از منابع تجدید ناپذیر است که از آن در صنایع و همچنین در خانه ها برای پخت غذا و ایجاد گرما از آن استفاده می شود.

هیدروژن

هیدروژن یکی از عناصر جدول تناوبی است که به دلیل واکنش پذیری بالا به صورت خالص یافت نمی شود.این عنصر در اغلب ترکیبات فراوان موجود در جهان وجود دارد و به دلیل فراوانی در اغلب ترکیبات موجود در جهان وجود دارد و به دلیل فراوانی آن گزینه ی مناسبی برای استفاده به عنوان سوختی جدید است.این سوخت از منابع تجدید پذیر و تجدید نا پذیر قابل تهیه است و علاوه بر آن پس از ترکیب آن با اکسیژن(عمل اکسایش)آب پدید می آید که بر سلامت محیط زیست هیچ گونه تاثیری ندارد.

در ادامه به معرفی دستگاهی که می تواند از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده کند،مزایای آن و از همه مهم تر نقش فناوری نانو در این دستگاه می پردازیم.

پیل سوختی

پیل سوختی وسیله ای است که انرژی شیمیایی مواد و از جمله هیدروژن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.پیل سوختی انواع مختلفی دارد.برای پیل سوختی دو طبقه بندی وجود دارد.

  1. دسته بندی اول بر اساس نوع ماده ای است که پیل سوختی با آن ساخته شده است.در ذیل این دسته بندی قابل مشاهده است:
  2. دسته بندی دیگر براساس مقدار دمایی است که پیل سوختی می تواند در آن کار کند.در جدول زیر دمای فعالیت هر یک از انواع پیل های سوختی را می بینیم:

نوع پيل سوختی

نام اختصاری

الکتروليت

دمای کارکرد (C°)

پيل سوختي پليمري

PEM2

نفيون (نوعي پليمر)

80-100

پيل سوختي قليايي

AFC3

پتاس

80-100

پيل سوختي اسيد فسفريك

PAFC4

اسيد فسفريک

200-220

پيل سوختي كربنات مذاب

MCFC5

نمک کربنات مذاب

650

پيل سوختي اكسيدجامد

SOFC6

YSZ

(نوعي سراميک)

1000

 

اجزای پیل سوختی

کاتد:الکترودی که دارای بار منفی است و می تواند ذراتی با بار مثبت را جذب نماید.وظیفه کاتد تبدیل اکسیژن به اکسید می باشد.

آند:الکترودی که دارای بار مثبت است و می تواند ذراتی با بار منفی را جذب نماید.آند وظیفه ی اکسید کردن سوخت را به عهده دارد.

الکترولیت:محلولی رسانا که بین کاتد و آند قرار گرفته است.وظیفه ی این محلول هدایت یون اکسیژن می باشد.

کاتالیز گر:کاتالیزگر ماده ای است که باعث تسریع واکنش های شیمیایی پیل سوختی می شود؛ولی خود آن در واکنش شرکت نمی کند.در پیل سوختی نیز برای تسریع واکنش از فلز پلاتین استفاده می شود.

کارکرد پیل سوختی پلییمری

هيدروژن از هيدروليز آب تهيه می شود. هيدروژن در آند پيل به هيدروژن با بار مثبت و الکترون تبديل می شود. هيدروژن با بار مثبت از غشای پليمری(الکترولیت پلیمر) نانومتری که تنها هيدروژن با بار مثبت را با بازده بالا از خود عبور می دهد، می گذرد. الکترون نيز در مدار باعث حرکت ماشين می گردد. در کاتد هيدروژن با بار مثبت عبوری با الکترون و اکسيژن موجود در هوا واکنش می دهد و بخار آب تشکيل می شود که از طريق لوله اگزوز ماشين خارج می شود.البته پیل سوختی علاوه بر خودرو در وسایل دیگری نیز استفاده می شود که در ادامه مقاله به معرفی آن ها می پردازیم

در شکل زیر نمایی از واکنش هایی که در پیل سوختی انجام می شود،قابل مشاهد است.

مرز سه فازی

همان طور که گفته شد برای تسریع واکنش های شیمیای از کاتالیزگر پلاتین که دارای قیمت بالایی است،استفاده می شود.علاوه بر این که این ماده قیمت بالایی دارد،قسمت زیادی از آن استفاده نمی شود.علت این امر آن است که پلاتین در نقاطی به عنوان کاتالیزگر عمل می کند که در تماس با الکترولیت و الکترود باشد.به این مناطق مرز سه فازی می گویند.

به این دلیل صنعتی شدن پیل های سوختی پلیمری که جنس کاتالیزگر آن ها از پلاتین است غیر ممکن است فناوری نانو راهکارهایی پیشنهاد کرده که این مشکلات را کنار می زند:

فناوری نانو و پیل سوختی

برای کاهش مقدار استفاده از پلاتین آن را بر روی ماده ای از جنس کربن پخش می کنند.دلایل استفاده از کربن به عنوان بستر عبارتند از:

قيمت ارزان – هدايت الکتريکی بالا – مقاومت زياد در برابر خوردگی – پايداری خوب شيميايی
پايداری شيميايی خوب برای جلوگیری از ترکیب شدن و عمر بیشتر

وقتی که ذرات پلاتین روی بستر قرار می گیرند،ابعاد آن ها تا 2 نانومتر کاهش می یابد.با کاهش ابعاد مواد سطح تماس مواد افزایش یافته و سر عت فعالیت های شیمیایی به طور چشمگیری افزایش پیدا می کند.

نانولوله های کربنی به علّت خواص منحصر به فردشان گزینه ای مناسب برای استفاده به عنوان بستر می باشند.

علاوه بر این نانولوله های کربنی به دلیل داشتن یک والانس خالی قابلیت جذب هیدروژن بیشتری را دارند که در بهبود عملکرد پیل سوختی تاثیر گذار است.

برآورد مي‌شود كه با كاهش قيمت و اندازه‌ي پيل‌هاي سوختي قابل حمل، رشد بازار آنها به سرعت افزايش يابد. طبق گزارش Susan Eustis، صرفه‌جويي ناشي از مقياس به طور كامل هزينه‌هاي بالاي كاتاليزورهاي فلزي عالي‌ پيل‌هاي سوختي ميكرو استفاده مي‌شوند را حل نمي‌كند.
انتظار مي‌رود كه فناوري‌نانو راهكارهاي جديدي براي توليد مواد پيشرفته كه بتوانند در پيل‌هاي سوختي قابل حمل استفاده شوند، ارائه كند.
براي اينكه پيل‌هاي سوختي قابل حمل بتوانند با باتري‌هاي فيلم نازك رقابت كنند، بايد قيمت كاتاليزورها بيشتركاهش يابد. پيل‌هاي سوختي قابل حمل در مناطق شهري و براي استفاده در دوچرخه‌ها و تجهيزات الكترونيكي چند رسانه‌اي پيشرفته كه انرژي زيادي مصرف مي‌كنند، مناسب هستند.
در سال 2008 حدود 19 ميليون دوچرخه الكتريكي فروخته شد. پيش‌بيني مي‌شود كه اين روند ادامه داشته باشد. با افزايش مسافرت‌هاي شهروندان، پيل‌هاي سوختي قابل حمل نقش مهمي در مسافرت‌هاي فواصل كوتاه ايفا خواهند كرد. با تكامل اقتصاد جهاني، پيل‌هاي سوختي نقش مهمي در توسعه انرژي سازگار با محيط‌زيست ايفا مي‌كنند.
محدوديت‌هاي قدرت خريد و مسائل آلودگي هوا، نياز به راه‌كارهاي حمل و نقل كم هزينه‌تر و فاقد آلاينده‌هاي كربني را بيشتر مي‌كند.
در حال حاضر فناوري‌نانو براي اجراي راهكارهاي مبتني بر پيل‌هاي سوختي قابل حمل مورد استفاده قرار مي‌گيرد و در اين راستا بسياري از تكنيك‌هاي فناوري‌نانو نيز بررسي شده‌اند.
ارزش بازار پيل‌هاي سوختي قابل حمل در سال 2008 حدود 1/80 ميليون دلار بود كه پيش‌بيني مي‌شود ارزش بازار آنها تا سال 2015 به بيش از 4/4 ميليارد دلار افزايش يابد. ارزش فعلي بازارهاي كنوني ناشي از تلفن‌هاي همراه و رايانه‌هاي شخصي است. پيش‌بيني مي‌شود كه رشد آتي اين بازار، ناشي از توسعه استفاده از سيستم‌هاي سوختي دوگانه با استفاده از باتري‌هاي فيلم نازك باشد.

مزایای پیل سوختی

  • بازده بالا
  • سازگاری با محیط زیست
  • سادگی سیستم از نظر تعمیر ونگهداری
  • تنوع در سوخت مصرفی
  • عدم آلودگی صوتی به سبب نداشتن قسمت‌های متحرک
  • طراحی و ساخت توان‌های کوچک (میلی وات ) تا بزرگ (مگاوات)
  • امکان استفاده از سوختهای فسیلی و پاک، مدولار بودن
  • قابلیت تولید هم‌زمان حرارت و الکتریسیته و استفاده در کاربردهای تولید غیرمتمرکز انرژی

کاربردهای پیل سوختی

1-وسایل نقلیه

یکی از معضلات مهم زندگی شهری آلودگی شدید هوا می باشد.با توجه به تولید آلودگی زیست محیطی وسایل نقلیه،استفاده از پیل سوختی در آن راهکاری مناسب است.

  2-نیروگاه

پیل های سوختی به دلیل نداشتن قطعات متحرک آلودگی صوتی تولید نمی کنن و می توان از آن ها جهت نیروگاه های صنعتی و خانگی استفاده کرد.

3-وسایل الکترونیکی

حتما برای شما هم پیش آمده که در شرایط ضروری شارژ باتری لپ تاب و یا گوشی همراهتان تمام شده است.به کمک پیل های سوختی کوچک می توان این مشکل را از راه برداشت.

4-نظامی

به دلیل نداشتن آلودگی صوتی پیل سوختی می توان در صنایع نظامی استفاده کرد.در این صورت شناسایی از طرف دشمن سخت تر است.

 

بحران انرژي يکي ازموضوعاتي است كه به شدت مورد توجه جوامع امروزي مي‌باشد. سوخت‌هاي فسيلي که تاکنون تأمين‌كنندة بخش عمده‌اي از انرژي مورد نياز بشر بوده‌اند، منابعي رو به زوال هستند. از طرفي، سيستم‌هاي مصرف‌کننده اين سوخت‌ها داراي بازدة پاييني مي‌باشند. اين سيستم‌ها علاوه بر اتلاف منابع سوختي، از مهم‌ترين منابع آلوده‌کننده محيط زيست نيز محسوب مي‌شوند. از اين رو، استفاده از انرژي‌هاي نو و سيستمهاي تبديل انرژي با بازده بالا و آلودگي کم، بسيار لازم و ضروري است.

 تاريخچه پيدايش پيل سوختي:

تاريخچه پيدايش و تحول پيل سوختي به دو دوره متمايز تقسيم مي‌شود:

دوره صدساله اول که از سال 1839 با ساخت اولين پيل سوختي با الكتروليت اسيد سولفوريك توسط ويليام گرو آغاز گرديد. اين دوره با تلاش دانشمندان بزرگي چون نرنست، هابر، موند و ديگران منجر به درك علمي پيل سوختي و شناخت تنگناهاي اين فن‌آوري تا سال 1940 گرديد.

 دوره تحول و گسترش دوم پيل سوختي از سال 1940 شروع و تا به امروز منجر به توسعه فن‌آوري پيل سوختي و كاربرد عملي اين فن‌آوري شده است.

واژه “پيل‌سوختي” در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعي پيل‌سوختي که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف مي‌کرد، ساختند.

فرانسيس بيكن از دانشگاه كمبريج در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني كاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيكل و همچنين استفاده از هيدروكسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريك به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع كه اولين پيل‌سوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد. او 27 سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يك پيل‌سوختي كامل وكارا ارائه نمايد. بيكون در سال 1959 پيل‌سوختي با توان 5 كيلووات را توليد نمود كه مي‌توانست نيروي محركه يك دستگاه جوشكاري را تامين نمايد.

 اصول کار پيلهاي سوختي:

پيل سوختي دستگاهي است الکتروشيميائي که انرژي شيميائي حاصل از يک واکنش شيميائي را به انرژي الکتريکي تبديل مي‌نمايد. سوخت مصرفي در پيل‌هاي سوختي پليمري، هيدروژن است که از منابع مختلفي تأمين مي‌شود. هيدروژن به آند و اکسيژن به کاتد تزريق مي‌شود. مولکولهاي هيدروژن در اثر تماس با کاتاليزورهاي موجود در سطح غشاء، يا در سطح الكترود، به يون هيدروژن تبديل شده و قابليت عبور از الکتروليت، يا غشاء تبادلگر يوني را پيدا مي‌نمايند. الکترونهاي آزاد شده به علت شکسته شدن پيوند مولکول هيدروژن، توسط يک مدار خارجي به کاتد مي‌رسند. سرانجام در کاتد، اکسيژن تزريق شده به سيستم با پروتونهاي انتقال يافته توسط غشاء، توليد آب مي‌نمايند. اکنون با قرار دادن يك موتور الکتريکي، مصرف‌کننده، مي‌توان سيستم پيل سوختي را تکميل نمود.
پيل‌هاي سوختي مزاياي زيادي دارند كه كم و بيش براي همة انواع آنها صادق است. برخي از اين مزايا عبارتند از:
– بازدهي بالاتر پيل‌هاي سوختي نسبت به موتورهاي احتراق
– سادگي سيستم پيل سوختي
– آلايندگي کم (تنها ماده حاصل از و اكنش پيل، آب است.)
– آلودگي صوتي كم (پيل‌هاي سوختي بسيار آرام كار مي‌كنند كه براي سيستم‌هاي قابل حمل از اهميت زيادي برخوردار است.)
– طول عمر بسيار بالا.
– عدم وجود قطعات و قسمت‌هاي متحرک در سيستم.

شكل(1 ) شماي كلي يک پيل سوختي

استفاده از پيل‌هاي سوختي در سيستم‌هاي تركيب‌كننده نيرو و گرما (در اندازه‌هاي كوچك و بزرگ) ميسر است. همچنين از آنها مي‌توان در وسايل نقليه، كامپيوترهاي قابل حمل، گوشي‌هاي تلفن همراه و … استفاده كرد. پيل هاي ‌سوختي را به شكل‌هاي مختلفي دسته بندي مي‌كنند. اين تقسيم بندي‌ها بر اساس نوع الكتروليت، دماي فعاليت پيل ، سوخت ، اكسيدكننده، مبدل سوخت و…. انجام شده است. در رايج‌ترين طبقه‌بندي، انواع پيل‌هاي سوختي بر مبناي نوع الکتروليت عبارتند از:
1- پيل‌سوختي پليمري                  Polymer Electrolyte Fuel Cell
2- پيل‌سوختي قليايي                                      Alkaline Fuel Cell
3- پيل‌سوختي اسيدفسفريك              Phosphoric acid fuel cell
4- پيل‌سوختي كربنات مذاب              Molten carbonate fuel cell
5- پيل‌سوختي‌اكسيدجامد                           Solid oxide fuel cell
در شکل (2) توزيع کاربرد هريک از انواع پيل‌هاي سوختي نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده مي‌شود پيل‌هاي سوختي پليمري بيشترين کاربرد را به خود اختصاص داده‌اند. در اين گزارش نيز بررسي پيل‌هاي سوختي پليمري مد نظر مي‌باشد.

 

شکل (2) توزيع کاربرد انواع پيل هاي سوختي.

 كاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي:
بازار مولدهاي نيروگاهي پيل‌سوختي بسيار گسترده است و کاربردهاي دولتي، نظامي و صنعتي را شامل مي‌شود. همچنين به عنوان نيروي پشتيبان در مواقع اضطراري در مخابرات، صنايع پزشکي، ادارات، بيمارستان‌ها، هتل‌هاي بزرگ و سيستم‌هاي کامپيوتري به کار مي‌رود.
پيل‌هاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسبند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
اين نيروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهي الکتريکي بالايي دارند و همچنين در ترکيب با نيروگاه‌هاي گاز طبيعي بازدهي الکتريکي آنها به 70-80% مي‌رسد.
مزيت ديگر اين نيروگاه‌ها عدم آلودگي محيط زيست است. خروجي نيروگاه‌هاي پيل‌سوختي بخار‌آب مي باشد.
نيروگاه‌هاي پيل سوختي قابليت استفاده از سوخت‌هاي مختلف مانند متانول، اتانول، هيدروژن، گاز طبيعي، پروپان و بنزين را دارند و مانند ساير نيروگاه‌ها محدود به استفاده از يک منبع انرژي خاص نيست. از زمانيکه اولين پيل‌سوختي نيروگاهي در دهه 60 توليد گشت، تا کنون در مجموع 650 سيستم کامل با توان بيش از 10 کيلووات (ميانگين آن 200 کيلووات است) ساخته شد. تقريباً 90 درصد از اين واحدها با گاز طبيعي تغذيه مي شود. البته استفاده از سوخت‌هاي جايگزين نظير بيوگاز و گاز ذغال نيز پيشرفت قابل ملاحظه‌اي داشته است. در اين بخش نيروگاه انواع متنوع پيل‌سوختي به کار رفته است. در ابتدا از پيل‌سوختي اسيد فسفريک آغاز گرديد و سپس پيل‌سوختي پليمري و پيل‌سوختي کربنات مذاب جايگزين آن گشتند. در حاليکه پيل‌سوختي اکسيد جامد در اينده بازار را به قبضه در خواهد آورد.
در بخش پيل‌هاي سوختي نيروگاهي کوچک (زير 10 کيلووات) نيز رشد قابل ملاحظه‌اي را شاهد بوديم. تعداد اين واحدها اکنون به 1900 رسيده است. اين سيستم جهت مصارف خانگي و بازارهايي از قبيل UPS ونيروي پشتيبان در اماکن دوردست کاربري دارد. نيمي از محصولات در آمريکاي شمالي توسعه يافته است.
در بخش سيستم‌هاي نيروگاهي کوچک 20 درصد سهم بازار را پيل‌سوختي اکسيدجامد و مابقي را پيل‌سوختي پليمري تشکيل مي‌‌دهد. بازار پيل‌سوختي کوچک در ژاپن که به مصارف خانگي اختصاص دارد، منحصراً با پيل‌سوختي پليمري است و اميد است تا انتهاي سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.
فروش تعدادي از واحدهاي نيروگاهي کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سيستم GenCore شرکت Plug Power مي باشد(توان 5 کيلووات، 15000 دلار)
دولت ژاپن حمايت خود از توسعه پيل‌هاي سوختي نيروگاهي در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت هاي ژاپني گاز توکيو و Osaca از بزرگترين شرکت هاي توسعه دهنده اين فن‌آوري مي‌باشند.

نوشته های مرتبط

یک نظر برای پیل سوختی و فن آوری نانو

  1. زینب
    فروردین ۲۰, ۱۳۹۲

    اطلاعات مفیدی بود ولی در مورد صنعت باید کاملتر مینوشتید

    بالاترین رتبه. شما هم رتبه بدهید: Thumb up 6 Thumb down 3

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *