پیل‌های سوختی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد.

پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریسیته است. این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از بازدهی بالایی برخوردار خواهد بود. در واقع می‌توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز آب استفاده می‌گردد. یعن از واکنش بین ئیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌گردد. هر سلول در پیلهای سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت تشکیل شده است. مقدمه پيل‎‎‎‎‎‎‎‎‎هاي سوختي فن‎آوري جديدي براي توليد انرژي هستند كه بدون ايجاد آلودگي‎هاي زيست محيطي و صوتي ، از تركيب مستقيم بين سوخت و اكسيدكننده ، انرژي الكتريكي با بازدهي بالا توليد مي‎‎‎‎كنند. توليد مستقيم الكتريسيته جايگزيني براي چرخة كارنو جهت تبديل انرژي شيميايي حاصل از سوخت به انرژي گرمايي و مكانيكي و در نهايت الكتريسيته مي‎‎باشد كه اتلاف انرژي را به حداقل ممكن مي‎رساند و به بازدة تئوري دست پيدا مي‎كنيم. در پيل‎هاي سوختي اكسيد جامد )سراميكي( اكسيد سراميك ( ) رساناي يون در الكتروليت است و از اهميت بسزايي برخوردار است. اين پيل در دماي بين 600 تا 1000 درجه سانتيگراد كار مي‎كند. در حال حاضر تعداد زيادي از محققان روي جنبه‎هاي مختلف پيل سوختي اكسيد جامد، جهت بهبود خواص پيل كار مي‎كنند. براي اين كار روي خواص الكترودها و الكتروليت كه مهمترين قسمت‎هاي پيل SOFC مي‎باشند را بهينه سازي مي‎كنند و روي عناصر و مواد تشكيل دهندة آنها مطالعه انجام مي‎دهند. تاريخچة پيل‎هاي سوختي تاريخچة اين پيل‎ها به دو دورة متمايز تقسيم مي‎شود : دورة اول كه حدود صد سال طول كشيد ، از سال 1839 با ساخت اولين پيل سوختي با الكتروليت اسيد سولفوريك توسط آقاي گرو آغاز گرديد. با تلاش دانشمندان بزرگي مانند جكس، هابر، مون و همكاران و شاگردان آنها منجر به درك علمي از پيل سوختي وشنا‎‎‎‎‎‎خت تنگناهاي اين فن‎آوري تا سال 1940 گرديد. دوره دوم از سال 1940 آغاز مي‎شود كه بين سالهاي 1950 تا 1960 نمونه‎هاي تحقيقاتي متعددي از پيل‎هاي سوختي توسط شركت‎هاي بزرگي مانند جنرال الكتريك با ظرفيت02/0 وات الي 15 وات ساخته شد. اما هنوز اين ظرفيت براي كاربردهاي فني و صنعتي مورد نظر، كافي و قابل قبول نبود. تا اينكه درسال 1965 يك واحد پيل سوختي با ظرفيت يك كيلو‎‎‎وات توسط شركت جنرال الكتريك به منظور استفاده در ماهوارة گميني5 ،ساخته شد و توجه دانشمندان را به خود جلب نمود. اين پيل سوختي با ولتاژ 25 ولت و شدت جريان خروجيA 40 آمپر توانست در طول 7 پرتاب ماهوارة گميني 5، انرژي برابر با 519 كيلووات ساعت طي بيش از 840 ساعت پرواز را تامين كند. بدين ترتيب معلوم گرديد كه پيل‎هاي سوختي مي‎توانند براي بسياري از مقاصد هوا - فضا مناسب بوده و انرژي مورد نياز آنها را به صورت پيوسته و پايدار تامين كنند. اين امر موجب گرديد تا در سراسر جهان روي توسعة دانش فني و تكنولوژي ساخت پيل‎هاي سوختي سرمايه‎‎گذاري‎هاي بزرگي صورت گيرد. امروزه نيز تحقيقات وسيعي در جهت ارتقاء ظرفيت ، كاهش هزينه‎هاي ساخت و بهره ‎‎بر‎داري و توسعة ويژگي‎هاي كاربردي پيل‎هاي سوختي در جريان مي‎باشد. برق خروجي از پيل‎هاي سوختي جريان مستقيم (DC) است. بنابراين براي مصرف ‎‎كننده‎هاي جريان متناوب از مبدل‎هاي DC به AC استفاده مي‎كنند. از پيل‎هاي سوختي مي‎توان براي تامين انرژي الكتريكي مورد نياز در مناطقي كه دور از شبكه‎هاي سراسري انتقال و توزيع برق هستند و نيز در ايستگاه‎هاي ماهواره‎اي و مخابراتي وغيره نيز به طور رضايت بخشي استفاده نمود . انواع پيل سوختي پيل‎هاي سوختي براساس نوع الكتروليت استفاده شده در آن‎ها به پنج نوع اصلي طبقه بندي مي‎شوند. 1. پيل سوختي الكتروليت پليمر يا غشاء مبادله كننده پروتون (PEFC) 2. ‎ پيل سوختي قليايي (AFC) 3. پيل سوختي اسيد فسفريك (PAFC) 4. پيل سوختي كربنات مذاب (MCFC) 5. پيل سوختي اكسيد جامد (SOFC) لازم به ذكر است كه پيل سوختي متانول مستقيم (DMFC)6 از خانوادة پيل سوختي PEFC است. پيل‎هاي سوختي بر اساس دماي عملكرد ، داراي دامنة دمايي از 80 براي (PEFC‎) تا 1000 براي (SOFC) مي‎باشند. پيل‎هاي سوختي دماي پايين (PEFC ،PAFC ،AFC) داراي حامل‎هاي يونيH+ ويا OH- هستند كه انتقال يون از ميان الكتروليت وانتقال الكترون‎ها از طريق مدار خارجي را به عهده دارند ، و در پيل‎هاي سوختي دماي بالا مانند الكتروليت كربنات مذاب (MCFC) و الكتروليت اكسيد جامد (SOFC) ، جريان الكتريكي به ترتيب از طريق يون‎هايCO32- و O2- انتقال مي‎يابد. در پيل‎هاي سوختي اكسيد جامد (SOFC) يا سراميكي رسانش ‎يون در الكتروليت معمولا در دماي بين 600 تا 1000 درجه سانتيگراد انجام مي‎شود. مزاياي پيل‎هاي سوختي مزاياي پيل‎هاي سوختي بطوز اجمال عبارتند از: • بازدة بالا ؛ • سازگاري با محيط زيست ؛ • سادگي سيستم از نظر تعمير ونگهداري ؛ • تنوع در سوخت مصرفي ؛ • عدم آلودگي صوتي به سبب نداشتن قسمتهاي متحرك ؛ • طراحي و ساخت توان‎هاي كوچك (ميلي وات ) تا بزرگ (مگاوات) . معايب پيل‎هاي سوختي • به مواد بيشتر و فرآيندهاي سريعتري نسبت به ديگر پيل‎ها نياز دارد. • ممكن است در مدت طولاني كار ، گرما مشكلاتي چون ناسازگاري عناصر و افت انرژي را موجب شود. • در صورت استفاده از سوخت ناخالص ، كار و گرماي بيش از حد موجب رسوب كربن و در ‎‎‎‎نهايت مسموميت پيل مي‎گردد. مزاياي پيل سوختي اكسيد جامد نسبت به ساير پيل‎هاي سوختي • به علت عملكرد دمايي بالا داراي بيشترين راندمان نسبت به ساير پيل‎هاي سوختي مي‎باشد. • از گرماي توليد شده مي‎توان براي افزايش بازدهي مجدد استفاده نمود. • امكان بازسازي دروني سوخت به خاطر عملكرد دمايي بالا وجود دارد. • نيازي به كاتاليستهاي گران قيمت ندارد. • براي استفاده از سوختهاي مختلف نيازي به مبدل‎هاي سوخت نيست. • از آنجاييكه پيل سوختي اكسيد جامد داراي الكتروليت جامد است مشكل خوردگي مواد كم مي‎باشد . • براي ساخت اجزاي پيل مي‎توان از فن‎آوري لايه نازك استفاده نمود. ولي در پيل‎هاي سوختي با الكتروليت مايع چنين امري دست نيافتني است. بهر حال: پیل سوختی اساساً وسیله ایست که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و...) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل می کند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باطری بوده ولی بر خلاف باطری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد.

پيل هاي سوختي ميتوانند سوخت هاي حاوي هيدروژن مانند متانول( Methanol ) ، اتانول ( Ethanol) ،

گاز طبيعي ( Natural Gas ) و حتي بنزين و گازوئيل را مورد استفاده قرار دهند. بطوركلي در سوخت هاي هيدروكربوري، هيدروژن توسط يك دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بكار گرفته ميشود. پيل هاي سوختي در كاهش آلودگي محيط زيست نقش بسزائي داشته و بخاطر عدم بكارگيري قطعات مكانيكي زياد، ايجاد آلودگي صوتي نيز نمي نمايد. علاوه بر آن سيستم پيل سوختي از كارائي نسبتاً بالائي نسبت به موتورهاي احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژي در سالهاي 1973 و 1991 و آلودگي فزاينده محيط زيست، كشورهاي صنعتي را بر آن داشت تا جهت استفاده از سيستمهايي با راندمان بالا و سازگار با محيط زيست سرمايه گذاري كلاني نمايند. سيستمهاي پيل سوختي از جمله تكنولوژيهاي پيشرفته ايست كه مصارف غير نظامي آن با توانهاي ميلي وات تا مگا وات موضوع تحقيق شركتهاي توليد نيرو، خودرو سازي و نيز شركتهاي نفتي قرار گرفته است. پیل سوختی مجموعه ای از الکترولیت ، الکترودها و صفحات دو قطبی است. در پیل سوختی(بعنوان مثال نوع الکترولیت پلیمر جامد)، هیدروژن از آند و اکسیژن از کاتد وارد می شوند. هیدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می کند. الکترون نیز از طریق مدار خارجی به سوی کاتد هدایت می شود. اکسیژن با دریافت الکترون و پروتن به آب تبدیل می شود. حرکت الکترون از آند به کاتد جریان برق را به وجود می آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است . آب حاصل در کاتد میتواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

این نوشتار ناقص است. با گسترش آن به ویکی‌پدیا کمک کنید.