پیل سوختی(ویرایش جدید)

پیل سوختی¹ چیست؟

پیل سوختی وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. عملکرد پیل سوختی مانند باتری نیست که انرژی را ذخیره کند بلکه پیل سوختی حالتی از انرژی به حالت دیگر تبدیل می‌کند، به طوری که در این تبدیل مواد داخل پیل مصرف نمی‌شوند . گاز هیدروژن به دلیل تمایل واکنش دهندگی بالا، فراوانی و عدم آلایندگی محیط زیست، به عنوان سوخت  ایده‌آل در پیل‌سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

 

انواع پیل سوختی و کاربردهای آن

طبقه بندی رایج پیلهای سوختی بر اساس نوع الکترولیت آنها می باشد که عبارتست از :

• (PEMFC ) پیل سوختی پلیمری
• (AFC ) پیل سوختی قلیایی
• (PAFC) پیل سوختی اسید فسفریک
• (MCFC) پیل سوختی کربنات مذاب
• (SOFC) پیل سوختی اکسید جامد
• (DMFC) پیل سوختی متانولی

خلاصه ای از خصوصیات هر کدام از انواع پیلهای سوختی و جدول خصوصیات آنها بشرح ذیل می باشد:

1. پیل سوختی غشاء پروتون(PEMFC )

پیلهای سوختی غشاء پروتون دارای غشاء پلیمری جامد هستند که در حال حاضر عمدتًا غشاء    Nafion دراین پیل سوختی بکار برده م ی شود و به شکل یک ورقه باریک منعطف است. این غشاء کوچک و سبک بوده و در دمای پایین کار می کند )دمای کارکرد بهینه در حدود ٨٥ درجه سانتیگراد است. ( سایر الکترولیتهای جامد در دمای بالا کار می کنند. شکل زیر یک الکترولیت غشاء پروتون را به ما نشان می دهد.

برای سرعت بخشیدن به واکنش، یک کاتالیست پلوتونیومی در دو سطح غشاء الکترولیت استفاده می شود که این کاتالیست موجب افزایش قیمت پیل سوختی م ی شود؛ اما بدلیل جامد بودن الکترولیت پیل سوختی وهمچنین انعطاف پذیر بودن این الکترولیت، امکان شکستن یا ترک خوردن در آن کم است و این مشخصه ،پیل سوختیPEMرا برای کاربردهای خانگی و کاربردهای حمل و نقلی مناسب می کند.

در پیل سوختی نوعPEMاتمهای هیدروژن در آند یونیزه می شوند و الکترونهای آنها جدا می شود. یونهای هیدروژن که شامل بار مثبت هستند، به سطح غشاء خلل دار نفوذ می کند و بسمت کاتد می روند؛ الکترونهای جدا شده نمی توانند از این غشاء عبور کنند و از یک مدار خارجی عبور می کنند و موجب تولید برق می شوند. در کاتد الکترونها، پروتونهای هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند. پیل سوختی PEM نیازمند هیدروژن خالص است؛ بنابراین باید از یک رفورمر در خارج از پیل سوختی استفاده کنیم تا احتمال بوجود آمدن CO و در نتیجه مسمومیت کاتالیست را کاهش دهیم

واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بشرح ذیل است :

  

مزایا:

• دمای پایین و شروع بکار سریع
• عدم حساسیت به دی اکسیدکربن
• امکان استفاده از گازهای مشتق از هیدروکربن بعنوان سوخت

معایب:

• حساسیت به مونواکسید کربن
• بکارگیری فلزات کمیاب در ساختمان پیل
• پیچیده بودن سیستم مدیریت آب در مجموعه غشاء و الکترود

2. پیل سوختی قلیایی(AFC)

پیل سوختی قلیایی با هیدروژن و اکسیژن خالص کار می کند و از محلول هیدروکسید پتاسیم در آب بعنوان الکترولیت استفاده می کنند و الکترود آند آن از جنس نیکل و الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده می باشد. درجه حرارت کارکرد این پیل پایین بوده و بین ٦٠ تا ٨٠ درجه سانتیگراد می باشد.

در این پیل سوختی یونهای هیدروکسیل OH− از سمت کاتد به آند رفته و در آند گاز هیدروژن با یونهای هیدروکسیل واکنش داده و آب و الکترون را ایجاد می کند. الکترونهای بوجود آمده در آند توسط یک مدارخارجی، توان الکتریکی تولید می کند و از طریق این مدار خارجی، الکترونها به کاتد باز می گردد . الکترونها در کاتد با اکسیژن و آب واکنش م ی دهند و موجب تشکیل یونهای هیدروکسیل بیشتری می شوند. این یونهادرون الکترولیت نفوذ کرده و واکنش ادامه پیدا می کند.

مزایا:

• عدم نیاز به فلزات کمیاب
• بالا بودن راندمان

معایب:

• حساسیت شدید به دی اکسید کربن
• لزوم استفاده از هیدروژن خالص

پیل سوختی قلیایی از میزان آلودگی کمی برخوردار است و بخاطر احتمال واکنشهای ناخواسته در این پیل نیاز به هیدروژن خالص شده داریم و در صورتی که هیدروژن خالص نباشد موجب واکنشهای شیمیایی اضافی و ایجاد کربنات جامد می شود که این ماده در واکنشهای پیل سوختی اختلال ایجاد می کند. مشکل دیگر پیل سوختی قلیایی میزان زیاد پلوتونیم است که بعنوان کاتالیست از آن استفاده می شود. این کاتالیست قیمت زیادی دارد و پیل سوختی قلیایی را برای کاربردهای عادی نامناسب می کند و از آنجایی که احتمال نشت الکترولیت مایع نیز ممکن است؛ بنابراین برای کاربردهای حمل و نقلی مناسب نیست . عملکرد یک پیل سوختی قلیایی را در شکل می بینید.

عملکرد یک پیل سوختی قلیایی

3. پیل سوختی اسید فسفریک(PAFC)

پیل سوختی اسید فسفریک در دمای حدود ١٥٠ تا ٢٠٠ درجه سانتیگراد کار می کند و از الکترولیت اسید فسفریک استفاده می کند و الک ترودهای پیلهای سوختی اسید فسفریک از جنس پلاتین می باشد که بر روی سطح پودر کربن فعال نشانده شده است . در این نوع پیل سوختی از سوختهای بیشتری می توان استفاده کرد .

عملکرد پیل سوختی اسید فسفریک به این ترتیب است که یونهای هیدروژن مثبت توسط الکترود از آند به کاتد می روند و الکترونهای بوجود آمده در آند از طریق یک مدار خارجی عبور می کند و برق تولید می کند و به کاتد برمی گردد. واکنشهای انجام شده در این پیل عبارتست از:

مزایا:

• توان تحمل ١ تا ٢ درصد مونواکسید کربن
• امکان استفاده در مولدهای )تولید همزمان برق و حرارت(
• ثبات الکترولیت در محیط الکتروشیمیایی
• سادگی سیستم مدیریت آب و دما

معایب:

• کم بودن سرعت احیاء اکسیژن
• H₂Sحساسیت به

عملکرد یک پیل سوختی اسیدفسفریک

در کاتد الکترونها، یونهای هیدروژن و اکسیژن آب بوجود می آورند که با فشار به بیرون پیل سوختی هدایت می شود. با وجود کاتالیست پلوتنیم سرعت واکنشها بالا می رود.از مزایای پیل سوختی اسید فسفریک می توان به توان تحمل پیل سوختی در قبال میزان کمی از مونوکسید کربن و همین طور توانایی تحمل دمای بالای دمای جوش آب را دارد . این پیل سوختی اجزایی با مقاومت بالا باید داشته باشد تا در مقابل خورندگی اسید مقاومت کند. هیدروژن مورد نیاز برای PAFC می تواند یک Reformer خارجی از یک سوخت هیدروکربنی بوجود بیاید در صورتی که سوخت مورد نظر گازوئیل باشد، سولفور آن باید جدا شود . زیرا سولفور به کاتالیست الکترودها صدمه می زند. می توان از گرمای بوجود آمده درPAFC ها در کاربرد ترکیبی گرما و برق استفاده کرد. عملکرد یک پیل سوختی اسید فسفریک را در شکل می بینید.

4. پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)

در پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)الکترولیت ترکیب ٣٢ % درصد کربنات پتاسیم و ٦٨ % درصد کربنات لیتیم می باشد. الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده و الکترود آند از جنس آلیاژ نیکل  کروم(٢ تا ١٠ درصد کروم ) است. درجه حرارت کارکرد ٦٥٠ درجه سانتیگراد و جزء پیلهای سوختی با دمای کارکرد بالا بشمار می آید. در آند، هیدروژن با این یونها واکنش می دهد و دی اکسیدکربن، آب و الکترون تشکیل می دهد. الکترونها توسط یک مدار خارجی از آند به کاتد منتقل می شود و برق تولید می کند. اکسیژن هوا، دی اکسیدکربن بازیافت شده از آند با الکترونها واکنش داده و یونهای CO3²⁻ را بوجود می آورد والکترولیت را سرشار از یونها CO3²- می کند.

مزایا:

• امکان بکارگیری در مولدهای دو منظوره
• عدم استفاده از کاتالیست گران قیمت
• راندمان بالا

معایب:

• حساسیت زیاد به سولفور
• حل شدن اکسید نیکل
• احتیاج به چرخه دی اکسید کربن

پیل سوختی کربنات مذاب، (MCFC) دما بالا می توانند هیدروژن را از سوختهای مختلف توسط رفورمرداخلی یا خارجی استخراج کند؛ بعلاوه حساسیت کمتری نسبت به مسمومیت مونوکسیدکربن دارند.

MCFC ها با کاتالیستهای نیکلی بسیار خوب کار می کنند و کاتالیستهای نیکلی ارزانتر،پلوتینم هستند .

از گرمای خروجی پیل سوختی می توان برای کارهای صنعتی استفاده نمود.

عملکرد پیل سوختی کربنات مذاب

پیل سوختی کربنات در مقا یسه با پیل سوختی اکسید جامد دارای دو مشکل است؛ یکی از این مشکلات پیچیدگی کار با الکترولیت مایع است و دومین مشکل باقیمانده های واکنش شیمیایی در پیل سوختی کربنات مذاب است . یونهای کربنات الکترولیت در واکنشهای آند استفاده می شوند؛ بنابراین نیاز داریم که توسط تزریق دی اکسید کربن در کاتد، این مقدار را جبران کنیم.

5. پیل سوختی اکسید جامد(SOFC)

پیل سوختی اکسید جامد(SOFC) از یک الکترولیت سرامیکی ( ترکیبی از زیرکنا(Zr) و ایتریا (Y) با فرمول.Zr0.92Y0.08O_1.96  می باشد)بجای یک الکترولیت مایع استفاده می کند. الکترود آند ملغمه ای از نیکل وزیرکنیا و الکترود کاتد از جنس منگنیت لانتانیم است . درجه حرارت کارکرد پیل ٧٠٠ الی ١٠٠٠ درجه سانتیگراد می باشد. الکترولیت جامد با الکترودها که از مواد متخلخل مخصوصی تشکیل شده اند، پوشانده شده اند . در دمای بالای عملکرد پیل سوختیSOFC، یونهای اکسیژن)با بارمنفی ( از شبکه کریستالی عبور می کند . وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یونهای اکسیژن از الکترولیت عبور می کند تا سوخت را اکسید کنند . اکسیژن ذخیره شده در کاتد معمولا ً از هواگرفته می شود. الکترونهای ایجاد شده در آند از یک بار خارجی (مدار خارجی ) عبور کرده و به کاتد می رود.

با این کار یک مدار الکترویکی کامل می شود و انرژی برق تولید می شود. پیلهای سوختی نوع اکسید جامدSOFC  نیاز به رفورمر خارجی ندارند. عملکرد کلی پیل سوختی اکسید جامد را می توان در شکل زیر دید

عملکرد پیل سوختی اکسید جامد

واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بصورت زیر می باشد:

مزایا:

• عدم حساسیت به مونواکسیدکربن
• قابلیت مصرف سوختهای گوناگون
• عدم نیاز به هیدروژن خالص
• بالا بودن راندمان سیستم
• عدم نیاز به سوخت مجزا
• امکان استفاده مستقیم از گاز طبیعی بعنوان سوخت
• قابل استفاده در مولدهای دو منظوره
• عدم استفاده از الکترولیت مایع
• عدم استفاده از فلزات گران قیمت و کمیاب در ساخت

معایب:

• طولانی بودن زمان شروع به کار
• تشدید خوردگی و خرابی اجزاء بعلت کارکرد در دمای بالا
• گران قیمت بودن بعضی از اجزاء

6. پیل سوختی متانولی (DMFC)

پیل سوختی متانولی در حقیقت یک پیل سوختی پلیمری است که قادر است متانول مایع را مستقیمًا بعنوان سوخت مصرف کند ؛ از اینرو الکترولیت آن مانند پیل سوختی پلیمری غشاء پلیمری (عمدتًا (Nafion می باشد . الکترود آند از جنس آلیاژ پلاتین  روتینیوم (Pt-Ru) و الکترود کاتد آن از جنس پلاتین است . این پیل سوختی در محدوده وسیعی از درجه حرارت کار می کند و دمای کارکرد آن بین٦٠ تا ١٢٠ درجه سانتیگراداست. واکنشهای انجام شده در الکترودهای این پیل سوختی عبارتند از:

مزایا:

• قابلیت استفاده از متانول مایع بعنوان سوخت
• چگالی قدرت بالا
• دما و فشار عملکردی پایین
• سادگی ساختار و مدیریت حرارت پیل
• ضریب اطمینان بالای سیستم
• حذف سیستم مبدل سوخت
• حذف سیستم پیچیده مدیریت آب و حرارت(بعلت همراه بودن سوخت با آب)
• کاهش قابل ملاحظه وزن وحجم

معایب:

• عبور متانول از غشاء و در نتیجه افت ولتاژ کلی پیل و به هدر رفتن سوخت
• پایین بودن عملکرد در مقایسه با دیگر پیلها
• استفاده از پلاتین در ساختار پیل
• پایین بودن فعالیت کاتالیست Pt-Ru  در آند

در جدول زیر انواع پیلهای سوختی با خصوصیات مورد نظر آنها به منظور مقایسه آورده شده است:

• زمینه‌های مختلف استفاده از پیل‌های سوختی:

از پیل‌سوختی می‌توان در زمینه‌های مختلفی برای تولید انرژی استفاده کرد، که معمول‌ترین آنها عبارتند از:

1. حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایط نقلیه عمومی): امروزه همه تولید‌کنندگان عمده خودرو بر روی تولید تجاری خودروهای پیل سوختی سرمایه‌گذاری کرده‌اند. پیل‌های سوختی می‌توانند به عنوان مولد انرژی در اتوبوس‌ها، قایق‌ها، هواپیماها و حتی دوچرخه‌ها نیز استفاده شوند

2. نیروگاه‌ها (نیروگاه‌های متمرکز و غیرمتمرکز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی): پیل‌های سوختی نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت تولیدبرق محلی مناسب‌اند. علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.
3. وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و ...): باتری‌ها برای بسیاری از وسایل قابل حمل مانند کامپیوترهای کیفی و تلفن‌های همراه نامناسب‌اند. باتری‌ها پرهزینه، سنگین و مزاحم هستند و اغلب در بدترین مواقع به شارژ نیاز دارند. پیشرفت‌های اخیر در فن‌آوری پیل سوختی ممکن است به حل این مشکل بینجامد. چند گروه پژوهشی در حال ابداع «ریز پیلهای سوختی» هستند که به تلفن‌های همراه امکان می‌دهد در حالت آماده برای هفته‌ها کار کنند

4. صنایع نظامی: پیل‌های سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانک‌ها، زره‌پوش و خودروهای نظامی استفاده می‌شوند. چون در این دسته از پیل‌های سوختی هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد پس کم صدا بوده و از آنجایی که درجه حرارت پایین نیز کار می‌کنند ردیابی این خودروها نسبت به خودروهای با موتور درون‌سوز مشکل‌تر خواهد بود. پیل‌های سوختی پلیمری که در دمای پایین کار می کند، بیشتر در خودرو و وسایل قابل حمل کاربرد دارد. پیل سوختی اکسیدجامد  که در دماهای بالاتر به کار می افتد، در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد

• کاتالیزور و نقش آن در پیل سوختی

واکنش‌هایی که در پیل سوختی اتفاق می‌افتند، از دسته واکنش‌های اکسایش و احیا هستند و سرعت انجام آنها آهسته می‌باشد. بنابراین در پیل‌های سوختی که در دمای کم کار می‌کنند، مانند پیل سوختی پلیمری، برای بالا بردن بازده پیل سوختی باید از کاتالیزور استفاده کرد.

کاتالیزور: کاتالیزور ماده‌ای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را زیاد می‌کند، بدون این‌که خود در جریان واکنش مصرف شود. از این رو؛ کاتالیزور را می‌تون بدون تغییر، در پایان واکنش بازیابی کرد.

برای افزایش سرعت واکنش پیل‌های سوختی، باید در آند و کاتد از کاتالیزور استفاده کرد. انتخاب کاتالیزور مسئله مهمی است و از هر ماده‌ای نمی‌توان به عنوان کاتالیزور استفاده نمود. کاتالیزوری که واکنش‌های پیل سوختی را سرعت می‌دهد فلز پلاتین است. وقتی هیدروژن به آند وارد می‌شود به کاتالیزور پلاتین می‌رسد و در تماس با آن راحت‌تر اکسید می‌شود. در کاتد نیز گاز اکسیژن بعد از ورود، به کاتالیزور برخورد می‌کند و واکنش کاتدی نیز در حضور پلاتین تسریع می‌شود.
شاید بدانید که فلز پلاتین بسیار گران‌قیمت می‌باشد و همین مسئله سبب افزایش قیمت یک پیل سوختی پلیمری خواهد شد. همین قیمت بالای پیل سوختی باعث شده است که علی‌رغم تمام مزیت‌های پیل سوختی پلیمری، هنوز محصولاتی که با این فناوری کار می‌کنند به صورت تجاری مورد استفاده قرار نگیرند. برای استفاده از پیل سوختی پلیمری باید قیمت آن را کاهش داد. چگونه؟
فناوری‌نانو با ارائه‌ی پیشنهادهایی دراین زمینه، شاید بتواند مشکل را حل کند. در صورتی‌که می‌خواهید بدانید فناوری نانو  چگونه این مشکل را رفع می‌کند تا مقاله‌ی بعدی اندکی صبر کنید.
 

---

note:
1- Fuell Cell
2- Polymer Electrolyte Membrane
3- Alkaline Fuel Cells
4- Phosphoric Acid Fuel Cells
5- Molten Carbonate Fuel Cells
6- Solid Oxide Fuel Cells

منبع :http://www.kanoon.ir
منبع :http://www.suna.org.ir
نظر خودم در مورد استفاده پیل سوختی در دمای پایین که مناسب برای تانک ها و...

برای ردیابی نشدن در شب بسیار مناسب است معمولا برای ردیابی در شب از مادون قرمز (انتفال حرارت ) استفاده میشود پس اگه دمای منبع انرژی  تانک پایین باشد امکان شناسایی خیلیی ضعیف حتی می توان  تانک رو در شب با دمای محیط آن به صورت هم دما رساند و از دید و مادون قرمز مخفی کرد و ....

ایشلا مورد پسند قرار گرفته باشه