پیل سوختی

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: پیل سوختی

انرژی و راهکارهای متفاوت دست.یابی به آن، از دغدغه.های مهم انسان قرن بیست و یک محسوب می.شود. رقابت کشورهای مختلف بر سر تامین منابع سوختی بحثی است که نه تنها به کشورهای پیشرفته، بلکه به کل جامعه جهانی، اعم از کشورهای درحال توسعه و جهان سومی معطوف می.شود. افزایش انرژی بهای سوخت.های فسیلی در دهه.ی اخیر، دشواری.ها و معضلات محیطی استفاده از انرژی هسته.ای و طبیعت محدود و تجدیدناپذیر سوخت.های متداول، دلایلی است که تحقیقات در یافتن منابع جدید انرژی را وسعت داده است. این منابع باید دارای ویژگی.هایی باشند. از آن جمله:
دسترسی آسان، تجدیدپذیری، فاقد آلودگی زیست.محیطی، انرژی بالا، قیمت پایین، ذخیره.سازی آسان و قابلیت حمل با صرفه.ی اقتصادی است.

گروه اندکی از انرژی.ها در حال حاضر در این دسته قرار می.گیرند. از جمله انرژی.هایی که سال.هاست به.طور گسترده مورد پژوهش قرار گرفته، انرژی پیل سوختی است. پیل سوختی وسیله.ای است شبیه باتری که انرژی الکتروشیمیایی را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می.کند. ساختار کلی و اساس کار پیل سوختی مطابق واکنش.هایی است که در یک سلول گالوانی یا ولتایی صورت می.گیرد، البته با کمی تفاوت!! پیل سوختی به.طور ساده شامل دو الکترود متخلخل و یک الکترولیت جامد یا مایع است که این اجزاء مداری بسته برای هدایت یون.ها ایجاد می.کند (همان ساختار سلول گالوانی خودمان). اما منبع تامین انرژی در پیل سوختی، عنصر هیدروژن است. هیدروژن به.عنوان حامل انرژی در پیل سوختی از منابع مختلفی نظیر فراورده.های نفتی (حدود 77%) زغال سنگ (حدود18%) ، الکترولیز آب (4%) و (1%) منابع دیگر تامین می.شود. همان.طور که می.بینید سهم عمده تامین حامل هیدروژن، هیدروکربن.هایی است که به.طور متداول در سوخت فسیلی وجود دارد، اما تفاوت کاربرد آنها در پیل سوختی این است که در این دستگاه از سوختن هیدروکربن.ها به.طور مستقیم خبری نیست و تولید الکتریسیته توسط فعل و انفعالات هیدروژن موجود در سوخت فسیلی و اکسیژن هوا، بدون فرایند احتراق صورت می.پذیرد. (Cold combustion process).

انواع مختلفی از پیل سوختی وجود دارد که تفاوتِ.شان در نوع الکترولیت آنهاست. علاوه بر این، ترکیبات مختلفی از سوخت و اکسنده و همچنین کاتالیست.های آندی و کاتدی نیز امکان.پذیر است. سوخت.ها می.تواند دیزل، بنزین، یا متانول و حتی گاز طبیعی و متان باشد. هوا، کلر یا دی-اکسید-کلر می.تواند به.عنوان اکسنده در پیل به.کار رود.
یک واحد پیل سوختی از سه بخش مشخص تشکیل شده است. آند (الکترود منفی)، الکترولیت و کاتد (الکترود مثبت). نحوه.ی واکنش در پیل سوختی به این صورت است که در آند با دخالت یک کاتالیست، هیدروژن (H2) الکترون خود را از دست داده و به پروتون یون (+H) و الکترون آزاد (-e) تبدیل می.شود. پروتون از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می.کند. الکترولیت ترکیبی است به حالت جامد یا مایع و طوری طراحی شده که تنها پروتون (و نه الکترون) از خلال آن قادر به عبور کردن است. از عنصر پلاتین معمولا به عنوان کاتالیست در مجاورت آند یا یون هیدروژن استفاده می.شود.

الکترون نیز از طریق مدار خارجی (در اینجا یک سیم متصل به منبع نوری مانند لامپ) به سوی کاتد هدایت می.شود. سپس یون.ها و الکترون.ها در مجاورت کاتد با اکسیژن واکنش داده و تولید آب می.کنند. حرکت الکترون از آند به کاتد از طریق مدار خارجی جریان برق را به.وجود می.آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است و آب حاصل در کاتد نیز می.تواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد. از عنصر نیکل معمولاً به.عنوان کاتالیست در قطب کاتد استفاده می.شود.

یک واحد (سلول) پیل سوختی معمولی ولتاژی در حدود 6/0 تا 7/0 ولت تولید می.کند. برای تولید ولتاژ بالا، تعداد زیادی از این ساختارهای ساندویچ مانند به.صورت سری و موازی به یکدیگر بسته می.شوند. (stack). راندمان این پیل.ها 50 % تا بالای 70 تا 80 درصد در مواردی است که از راندمان یک موتور احتراقی (راندمان 40%) در تولید انرژی الکتریکی بیشتر است.

از مهم.ترین مزایای پیل.های سوختی راندمان بالا در تولید انرژی و اتلاف بسیار کمِ انرژی و حرارت، آلایندگی کم، قابلیت نقل و انتقال و نصب آسان و هزینه.های نگهداری کم، قابل اعتماد بودن سیستم، کم صدا و کم حجم بودن دستگاه، انعطاف.پذیر بودن با انواع سوخت مصرفی و مواردی از این دست است که همگی این مزایا، پیل سوختی را به.عنوان منبع تولید.کننده انرژی بسیار مناسب در وسایل نقلیه، تجهیزات همراه یا پرتابل و سایر پایانه.های ثابت نظیر نیروگاه.های تولید برق با توان.های متفاوت قابل بهره.برداری کرده است. همچنین قابلیت تامین انرژی ساختمان.ها به.خصوص در شرایطی که دسترسی به شبکه سراسری امکان.پذیر نیست یا ساختمان.هایی که قطع برق در آن جبران.ناپذیر است نظیر بیمارستان.ها یا دکل.های مخابراتی، از این نوع منبع انرژی جای.گزین به.خوبی بهره.برداری شده است.

کمی تاریخچه:

اولین پیل سوختی توسط سر ویلیام رابرت گروو در 1839 و بر اساس یافته.های یک محقق آلمانی ساخته شد. پیل ساخته شده توسط سر ویلیام از نظرساختار بسیار شبیه به پیل سوختی اسید فسفریک امروزی است.

طرح اولیه سپس در سال.های 58 - 1955 توسط دو شیمی.دان از شرکت جنرال الکتریک به نام.های نیدراش (Niedrach) و گراب (Grubb) بهبود داده شد و توسط ناسا برای پروژه سفینه فضایی جمینی به.کار گرفته شد. در سال 1959 مهندس انگلیسی، فرانسیس توماس بیکن، مدلی از یک پیل سوختی 5 کیلو-واتی ساخت که بعدها به.عنوان منبع تامین کننده برق و آب آشامیدنی در شاتل.های فضایی به.کار گرفته شد.

شکل.هایی از کاربرد پیل سوختی:

پیل سوختی در ابتدا برای سفینه.های فضایی طراحی و ساخته شد اما امروزه در اکثر وسایل نقلیه به.کار می.رود. اتومبیل.های برقی با موتورهای سوخت هیدروژن که انرژی خود را از واکنش هیدروژن و اکسیژن در موتور تامین می.کند و گاز خروجی از اگزوز بخار آب (H2o) است. بازده این اتومبیل.ها 3 برابر موتورهای سوخت بنزینی است. امروزه در صنعت حمل و نقل، شرکت.های بزرگ اتومبیل.سازی در تلاشند تا هر چه سریع.تر این تکنولوژی را در تولید خودروهای نسل جدید خود به.کار گرفته و پیل سوختی را به مرحله بهره.برداری تجاری برسانند.

در تجهیزات الکترونیکی نظیر لپ.تاپ، گوشی.های همراه، اعضای مصنوعی مانند سمعک و تجهیزات دیگری که نیاز به باتری با دوام و عمری برای تامین انرژی است، این پیل سوختی جای.گزین بسیار مناسب باتری.های نسل پیشین است، چرا که کاربر را از شارژ باتری بی.نیاز می.کند.

انواع پیل های سوختی ساخته شده به اختصار:

Phosphoric Acid fuel cell (PAFC) پیل سوختی اسید فسفریک - که امروزه به صورت تجاری در دسترس اند

Proton Exchange Membrane fuel cell (PEM): غشاء مبادله کننده پروتون
این نوع از پیل سوختی به دلیل واکنش در دمای پایین در اتومبیل ها کاربرد دارد.

Molten Carbonate fuel cell (MCFC), دمای بالا)) پیل سوختی کربنات مذاب

Solid Oxide fuel cell (SOFC), پیل سوختی اکسید جامد

Alkaline fuel cell (AFC) این پیل سوختی توسط ناسا و برای سفر انسان به ماه مورد استفاده قرار گرفت. ( بازده مفید 70 درصد
Direct Methanol fuel cell (DMFC), پیل سوختی متانول مستقیم

Zinc Air fuel cell (ZAFC) پیل سوختی روی ؛ پیل های سوختی بسیار ارزانی که به طور گسترده در سمعک ها و خودروهای برقی کوچک آزمایشی به کار گرفته شده است
Regenerative fuel cell ,پیل سوختی دومظوره یا احیا شونده
Protonic Ceramic fuel cell (PCFC),پیل سوختی سرامیک پروتونیک
Microbial fuel cell (MFC) پیل سوختی میکروبی

امروزه از فناوری های نانو در تولید پیل سوختی به طور گسترده استفاده می شود. تولید انواع مختلفی ازغشای متخلخل مبادله پروتون با کمک نانو فناوری، بهبود کاتالیست ها و همچنین تولید الکترولیت با کمک این فناوری؛ برای مثال تولید الکترولیت های جامد سرامیک در پیل سوختی سرامیک پروتونیک ، نمونه هایی از کاربرد نانو در تولید پیل سوختی است.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 3265]