v.m 2020
18th June 2013, 04:36 PM
در مقاله قبل گفته شد که هيدروژن با داشتن مزایای متعدد مي‌تواند به عنوان جایگزینی مناسب براي سوخت‌هاي معمول به کار رود. در اين مقاله به معرفي ساختمان پيلهاي سوختي و انواع آنها پرداخته مي‌شود.
پيل سوختی1 چيست؟
پيل سوختي وسيله‌اي است که انرژي شيميايي سوخت را مستقيماً به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند. عملکرد پيل سوختي مانند باتري نيست که انرژي را ذخيره کند بلکه پيل سوختي حالتي از انرژي به حالت ديگر تبديل مي‌کند، به طوري که در اين تبديل مواد داخل پيل مصرف نمي‌شوند . گاز هيدروژن به دليل تمايل واكنش دهندگي بالا، فراوانی و عدم آلايندگی محيط زيست، به عنوان سوخت ايده‌آل در پيل‌سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
ساختمان پیل سوختی
هر پيل سوختي از سه جزء اصلي تشکيل شده‌است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشا. گاز هيدروژن که به عنوان سوخت به کار می‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش مي‌یابد. طي اين واکنش يون هيدروژن مثبت و الکترون توليد مي‌شوند. يون‌هاي هيدروژن 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. شکل 1 شمایی کلی از یک پیل سوختی را نشان می‌دهد. واکنش در آند http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-1.jpg
تصوير 1- شمای کلی از يک پيل سوختی
واکنش‌های اکسایش-کاهش:
اصطلاح اکسایش، پیش‌تر برای واکنش‌های ترکیب مواد با اکسیژن به کار می‌رفت و کاهش به عنوان برداشتن اکسیژن از یک ترکیب اکسیژن‌دار، تعریف می‌شد. اما امروزه اکسایش و کاهش بر اساس تغییر عدد اکسایش تعریف می‌شود. اکسایش فرایندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم افزایش می‌یابد و کاهش، فرایندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم کم می‌شود.
انواع پيلهاي سوختي
پيلهاي سوختي را به طور معمول، بر اساس نوع الکتروليتي که در آن به کار می‌رود، به پنج دسته طبقه‌بندي مي‌کنند:
پيلهاي سوختي قليايي
پیل‌های سوختی كربنات مذاب
پیل‌های سوختی اسيد فسفريك
پیل‌های سوختی اكسيد جامد
پیل‌های سوختی پليمري
از نگاهی دیگر، طبقه‌بندی پيلهاي سوختي بر اساس دمايي است که پيل سوختي در آن کار مي‌کند. بر اين اساس پيلهاي سوختي به دو دسته کلي پيل سوختي دما بالا و پيل سوختي دما پايين تقسيم‌بندي مي‌شوند. در جدول 1 دمايي که انواع پيلهاي سوختي در آن کار مي‌کنند، به همراه نوع الکتروليت و نام اختصاري آنها نشان داده شده است.
نوع پيل سوختی
نام اختصاری
الکتروليت
دمای کارکرد (C°)
پيل سوختي پليمري
PEM2
نفيون (نوعي پليمر)
80-100
100 -80 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
مزايا و معایب پيل‌های سوختي
مزایای پیل‌های سوختی
- داشتن بازدهی بالا نسبت به وسايلی که از سوخت‌هاي شيميايی معمول نظير نفت و بنزين استفاده می‌کنند.
- سازگاری با محیط زیست؛ چون تنها محصول جانبی ایجاد شده در پیل‌های سوختی آب میباشد.
- عدم آلودگی صوتی؛ از آن‌جایی‌که در پیل‌های سوختی اجزای متحرک وجود ندارد، این وسیله بسیار بی‌صدا و آرام است.
- هزینه نصب کم و راه‌اندازی آسان
معایب پیل‌های سوختی
- ناشناخته بودن فناوري پيلهاي سوختي در جهان
- گران بودن؛ از آنجايي که هنوز خطوط توليد پيلهاي سوختي وجود ندارد، توليد انبوه آنها بسيار گران است. علاوه براين، در ساخت اين وسايل از برخي مواد گران قيمت (مانند کاتاليزورها) نيز استفاده می‌شود.
زمينه‌هاي مختلف استفاده از پيل‌های سوختي:
از پيل‌سوختي مي‌توان در زمينه‌هاي مختلفي براي توليد انرژي استفاده کرد، که معمول‌ترین آنها عبارتند از:
حمل ونقل (خودروهاي سواري و وسايط نقليه عمومي): امروزه همه توليد‌کنندگان عمده خودرو بر روي توليد تجاري خودروهاي پيل سوختي سرمايه‌گذاري کرده‌اند. پيلهاي سوختي مي‌توانند به عنوان مولد انرژي در اتوبوس‌ها، قايق‌ها، هواپيماها و حتي دوچرخه‌ها نيز استفاده شوند (شکل 2).
http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-2.jpghttp://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-3.jpg
تصوير 2- پيل‌های سوختی می توانند در انواع وسايل نقليه استفاده شوند. پيل سوختی می‌تواند در قسمت عقب يا جلوی وسيله نقليه قرار داده شود.
نيروگاه‌ها (نيروگاه‌هاي متمركز و غيرمتمركز اعم از خانگي، تجاري، صنعتي): پيلهاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسب‌اند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي و ...): باتري‌ها براي بسياري از وسايل قابل حمل مانند کامپيوترهاي کيفي و تلفن‌هاي همراه نامناسب‌اند. باتري‌ها پرهزينه، سنگين و مزاحم هستند و اغلب در بدترين مواقع به شارژ نياز دارند. پيشرفت‌هاي اخير در فن‌آوري پيل سوختي ممکن است به حل اين مشکل بينجامد. چند گروه پژوهشي در حال ابداع «ريز پيلهاي سوختي» هستند که به تلفن‌هاي همراه امکان مي‌دهد در حالت آماده براي هفته‌ها کار کنند(شکل 3).
http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-4.jpghttp://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-5.jpg
تصوير 3- پيل های سوختی می‌توانند برای شارژ کردن انواع وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي) استفاده شوند.
صنايع نظامي: پيلهاي سوختي که در دماي پايين کار مي‌کنند در تانك‌ها، زره‌پوش و خودروهاي نظامي استفاده مي‌شوند. چون در اين دسته از پيلهاي سوختي هيچ قطعه متحرکي وجود ندارد پس كم صدا بوده و از آنجايي که درجه حرارت پايين نيز کار مي‌کنند رديابي اين خودروها نسبت به خودروهاي با موتور درون‌سوز مشكل‌تر خواهد بود. پيلهاي سوختي پليمري که در دماي پايين کار مي کند، بيشتر در خودرو و وسايل قابل حمل کاربرد دارد. پيل سوختي اکسيد جامد که در دماهاي بالاتر به کار مي افتد، در نيروگاه‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد
کاتاليزور و نقش آن در پيل سوختي
واکنش‌هايي که در پيل سوختي اتفاق مي‌افتند، از دسته واکنش‌هاي اکسايش و احيا هستند و سرعت انجام آنها آهسته مي‌باشد. بنابراين در پيلهاي سوختي که در دماي کم کار مي‌کنند، مانند پيل سوختي پليمري، براي بالا بردن بازده پيل سوختي بايد از کاتاليزور 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 افزايش سرعت واکنش پيل‌های سوختی، بايد در آند و کاتد از کاتاليزور استفاده کرد. انتخاب کاتاليزور مسئله مهمی است و از هر ماده‌ای نمی‌توان به عنوان کاتاليزور استفاده نمود. کاتاليزوري که واکنش‌هاي پيل سوختي را سرعت مي‌دهد فلز پلاتين است. وقتی هيدروژن به آند وارد می‌شود به کاتاليزور پلاتين می‌رسد و در تماس با آن راحت‌تر اکسيد می‌شود. در کاتد نيز گاز اکسيژن بعد از ورود، به کاتاليزور برخورد می‌کند و واکنش کاتدی نيز در حضور پلاتين تسريع می‌شود.
شايد بدانيد که فلز پلاتين بسيار گران‌قيمت مي‌باشد و همين مسئله سبب افزایش قيمت يک پيل سوختي پليمري خواهد شد. همين قيمت بالاي پيل سوختي باعث شده است که علي‌رغم تمام مزيت‌هاي پيل سوختي پليمري، هنوز محصولاتي که با اين فناوري کار مي‌کنند به صورت تجاري مورد استفاده قرار نگیرند. براي استفاده از پيل سوختي پليمري بايد قیمت آن را کاهش داد. چگونه؟
فناوري‌نانو با ارائه‌ی پيشنهادهايي دراین زمینه، شايد بتواند مشکل را حل کند. در صورتی‌که مي‌خواهيد بدانید فناوری نانو چگونه این مشکل را رفع می‌کند تا مقاله‌ی بعدی اندکی صبر کنید.
پيل سوختی1 چيست؟
پيل سوختي وسيله‌اي است که انرژي شيميايي سوخت را مستقيماً به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند. عملکرد پيل سوختي مانند باتري نيست که انرژي را ذخيره کند بلکه پيل سوختي حالتي از انرژي به حالت ديگر تبديل مي‌کند، به طوري که در اين تبديل مواد داخل پيل مصرف نمي‌شوند . گاز هيدروژن به دليل تمايل واكنش دهندگي بالا، فراوانی و عدم آلايندگی محيط زيست، به عنوان سوخت ايده‌آل در پيل‌سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
ساختمان پیل سوختی
هر پيل سوختي از سه جزء اصلي تشکيل شده‌است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشا. گاز هيدروژن که به عنوان سوخت به کار می‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش مي‌یابد. طي اين واکنش يون هيدروژن مثبت و الکترون توليد مي‌شوند. يون‌هاي هيدروژن 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. شکل 1 شمایی کلی از یک پیل سوختی را نشان می‌دهد. واکنش در آند http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-1.jpg
تصوير 1- شمای کلی از يک پيل سوختی
واکنش‌های اکسایش-کاهش:
اصطلاح اکسایش، پیش‌تر برای واکنش‌های ترکیب مواد با اکسیژن به کار می‌رفت و کاهش به عنوان برداشتن اکسیژن از یک ترکیب اکسیژن‌دار، تعریف می‌شد. اما امروزه اکسایش و کاهش بر اساس تغییر عدد اکسایش تعریف می‌شود. اکسایش فرایندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم افزایش می‌یابد و کاهش، فرایندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم کم می‌شود.
انواع پيلهاي سوختي
پيلهاي سوختي را به طور معمول، بر اساس نوع الکتروليتي که در آن به کار می‌رود، به پنج دسته طبقه‌بندي مي‌کنند:
پيلهاي سوختي قليايي
پیل‌های سوختی كربنات مذاب
پیل‌های سوختی اسيد فسفريك
پیل‌های سوختی اكسيد جامد
پیل‌های سوختی پليمري
از نگاهی دیگر، طبقه‌بندی پيلهاي سوختي بر اساس دمايي است که پيل سوختي در آن کار مي‌کند. بر اين اساس پيلهاي سوختي به دو دسته کلي پيل سوختي دما بالا و پيل سوختي دما پايين تقسيم‌بندي مي‌شوند. در جدول 1 دمايي که انواع پيلهاي سوختي در آن کار مي‌کنند، به همراه نوع الکتروليت و نام اختصاري آنها نشان داده شده است.
نوع پيل سوختی
نام اختصاری
الکتروليت
دمای کارکرد (C°)
پيل سوختي پليمري
PEM2
نفيون (نوعي پليمر)
80-100
100 -80 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
مزايا و معایب پيل‌های سوختي
مزایای پیل‌های سوختی
- داشتن بازدهی بالا نسبت به وسايلی که از سوخت‌هاي شيميايی معمول نظير نفت و بنزين استفاده می‌کنند.
- سازگاری با محیط زیست؛ چون تنها محصول جانبی ایجاد شده در پیل‌های سوختی آب میباشد.
- عدم آلودگی صوتی؛ از آن‌جایی‌که در پیل‌های سوختی اجزای متحرک وجود ندارد، این وسیله بسیار بی‌صدا و آرام است.
- هزینه نصب کم و راه‌اندازی آسان
معایب پیل‌های سوختی
- ناشناخته بودن فناوري پيلهاي سوختي در جهان
- گران بودن؛ از آنجايي که هنوز خطوط توليد پيلهاي سوختي وجود ندارد، توليد انبوه آنها بسيار گران است. علاوه براين، در ساخت اين وسايل از برخي مواد گران قيمت (مانند کاتاليزورها) نيز استفاده می‌شود.
زمينه‌هاي مختلف استفاده از پيل‌های سوختي:
از پيل‌سوختي مي‌توان در زمينه‌هاي مختلفي براي توليد انرژي استفاده کرد، که معمول‌ترین آنها عبارتند از:
حمل ونقل (خودروهاي سواري و وسايط نقليه عمومي): امروزه همه توليد‌کنندگان عمده خودرو بر روي توليد تجاري خودروهاي پيل سوختي سرمايه‌گذاري کرده‌اند. پيلهاي سوختي مي‌توانند به عنوان مولد انرژي در اتوبوس‌ها، قايق‌ها، هواپيماها و حتي دوچرخه‌ها نيز استفاده شوند (شکل 2).
http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-2.jpghttp://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-3.jpg
تصوير 2- پيل‌های سوختی می توانند در انواع وسايل نقليه استفاده شوند. پيل سوختی می‌تواند در قسمت عقب يا جلوی وسيله نقليه قرار داده شود.
نيروگاه‌ها (نيروگاه‌هاي متمركز و غيرمتمركز اعم از خانگي، تجاري، صنعتي): پيلهاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسب‌اند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي و ...): باتري‌ها براي بسياري از وسايل قابل حمل مانند کامپيوترهاي کيفي و تلفن‌هاي همراه نامناسب‌اند. باتري‌ها پرهزينه، سنگين و مزاحم هستند و اغلب در بدترين مواقع به شارژ نياز دارند. پيشرفت‌هاي اخير در فن‌آوري پيل سوختي ممکن است به حل اين مشکل بينجامد. چند گروه پژوهشي در حال ابداع «ريز پيلهاي سوختي» هستند که به تلفن‌هاي همراه امکان مي‌دهد در حالت آماده براي هفته‌ها کار کنند(شکل 3).
http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-4.jpghttp://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-5.jpg
تصوير 3- پيل های سوختی می‌توانند برای شارژ کردن انواع وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي) استفاده شوند.
صنايع نظامي: پيلهاي سوختي که در دماي پايين کار مي‌کنند در تانك‌ها، زره‌پوش و خودروهاي نظامي استفاده مي‌شوند. چون در اين دسته از پيلهاي سوختي هيچ قطعه متحرکي وجود ندارد پس كم صدا بوده و از آنجايي که درجه حرارت پايين نيز کار مي‌کنند رديابي اين خودروها نسبت به خودروهاي با موتور درون‌سوز مشكل‌تر خواهد بود. پيلهاي سوختي پليمري که در دماي پايين کار مي کند، بيشتر در خودرو و وسايل قابل حمل کاربرد دارد. پيل سوختي اکسيد جامد که در دماهاي بالاتر به کار مي افتد، در نيروگاه‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد
کاتاليزور و نقش آن در پيل سوختي
واکنش‌هايي که در پيل سوختي اتفاق مي‌افتند، از دسته واکنش‌هاي اکسايش و احيا هستند و سرعت انجام آنها آهسته مي‌باشد. بنابراين در پيلهاي سوختي که در دماي کم کار مي‌کنند، مانند پيل سوختي پليمري، براي بالا بردن بازده پيل سوختي بايد از کاتاليزور 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 افزايش سرعت واکنش پيل‌های سوختی، بايد در آند و کاتد از کاتاليزور استفاده کرد. انتخاب کاتاليزور مسئله مهمی است و از هر ماده‌ای نمی‌توان به عنوان کاتاليزور استفاده نمود. کاتاليزوري که واکنش‌هاي پيل سوختي را سرعت مي‌دهد فلز پلاتين است. وقتی هيدروژن به آند وارد می‌شود به کاتاليزور پلاتين می‌رسد و در تماس با آن راحت‌تر اکسيد می‌شود. در کاتد نيز گاز اکسيژن بعد از ورود، به کاتاليزور برخورد می‌کند و واکنش کاتدی نيز در حضور پلاتين تسريع می‌شود.
شايد بدانيد که فلز پلاتين بسيار گران‌قيمت مي‌باشد و همين مسئله سبب افزایش قيمت يک پيل سوختي پليمري خواهد شد. همين قيمت بالاي پيل سوختي باعث شده است که علي‌رغم تمام مزيت‌هاي پيل سوختي پليمري، هنوز محصولاتي که با اين فناوري کار مي‌کنند به صورت تجاري مورد استفاده قرار نگیرند. براي استفاده از پيل سوختي پليمري بايد قیمت آن را کاهش داد. چگونه؟
فناوري‌نانو با ارائه‌ی پيشنهادهايي دراین زمینه، شايد بتواند مشکل را حل کند. در صورتی‌که مي‌خواهيد بدانید فناوری نانو چگونه این مشکل را رفع می‌کند تا مقاله‌ی بعدی اندکی صبر کنید.