up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله پيل سوختي PDF
QR code - پيل سوختي

پيل سوختي

تاريخچه پيل سوختي

اگر چه پيل سوختي به تازگي به عنوان يکي از راهکارهاي توليد انرژي الکتريکي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگليسي سرويليام گرو بر مي گردد. او اولين پيل سوختي را در سال ۱۸۳۹ با سرمشق گرفتن از واکنش الکتروليز آب، طي واکنش معکوس و در حضور کاتاليست پلاتين ساخت.
واژه پيل سوختي در سال ۱۸۸۹ توسط لودويک مند و چارلز لنجر به کار گرفته شد. آنها نوعي پيل سوختي که هوا و سوخت ذغال سنگ را مصرف مي کرد، ساختند. تلاش هاي متعددي در اوايل قرن بيستم در جهت توسعه پيل سوختي انجام شد که به دليل عدم درک علمي مسئله هيچ يک موفقيت آميز نبود. علاقه به استفاده از پيل سوختي با کشف سوخت هاي فسيلي ارزان و رواج موتورهاي بخار کمرنگ گرديد.
فصلي ديگر از تاريخچه تحقيقات پيل سوختي توسط فرانسيس بيکن از دانشگاه کمبريج انجام شد. او در سال ۱۹۳۲ بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني کاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيکل و همچنين استفاده از هيدروکسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريک به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي باشد. اين اختراع که اولين پيل سوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد. او ۲۷ سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يک پيل سوختي کامل وکارا ارائه نمايد. بيکون در سال ۱۹۵۹ پيل سوختي با توان ۵ کيلووات را توليد نمود که مي توانست نيروي محرکه يک دستگاه جوشکاري را تامين نمايد.
تحقيقات جديد در اين عرصه از اوايل دهه ۶۰ ميلادي با اوج گيري فعاليت هاي مربوط به تسخير فضا توسط انسان آغاز شد. مرکز تحقيقات ناسا در پي تامين نيرو جهت پروازهاي فضايي با سرنشين بود. ناسا پس از رد گزينه هاي موجود نظير باتري (به علت سنگيني)، انرژي خورشيدي(به علت گران بودن) و انرژي هسته اي (به علت ريسک بالا) پيل سوختي را انتخاب نمود.
تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيل سوختي پليمري توسط شرکت جنرال الکتريک منجر شد. ايالات متحده فن آوري پيل سوختي را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود که اولين کاربرد تجاري پيل سوختي بود.
پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپيما پيل سوختي قليايي بيکن را به منظور کاهش وزن و افزايش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضايي آپولو به کار بردند. در هر دو پروژه پيل سوختي بعنوان منبع انرژي الکتريکي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيل هاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد مي کرد. پس از کاربرد پيل هاي سوختي در اين پروژه ها، دولت ها و شرکت ها به اين فن آوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي توليد انرژي پاک در آينده توجه روزافزوني نشان دادند.
از سال ۱۹۷۰ فنآوري پيل سوختي براي سيستم هاي زميني توسعه يافت. تحريم نفتي از سال۱۹۷۳-۱۹۷۹ موجب تشديد تلاش دولتمردان امريکا و محققين در توسعه اين فن آوري به جهت قطع وابستگي به واردات نفتي گشت.
در طول دهه ۸۰ تلاش محققين بر تهيه مواد مورد نياز، انتخاب سوخت مناسب و کاهش هزينه استوار بود. همچنين اولين محصول تجاري جهت تامين نيرو محرکه خودرو در سال۱۹۹۳ توسط شرکت بلارد ارائه شد.
● کاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي
بازار مولدهاي نيروگاهي پيل سوختي بسيار گسترده است و کاربردهاي دولتي، نظامي و صنعتي را شامل مي شود. همچنين به عنوان نيروي پشتيبان در مواقع اضطراري در مخابرات، صنايع پزشکي، ادارات، بيمارستان ها، هتل هاي بزرگ و سيستم هاي کامپيوتري به کار مي رود.
پيل هاي سوختي نسبتاً آرام و بي صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسبند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه ها مي توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
اين نيروگاه ها در مصارف کوچک بازدهي الکتريکي بالايي دارند و همچنين در ترکيب با نيروگاه هاي گاز طبيعي بازدهي الکتريکي آنها به ۷۰-۸۰% مي رسد.
مزيت ديگر اين نيروگاه ها عدم آلودگي محيط زيست است. خروجي نيروگاه هاي پيل سوختي بخار آب مي باشد.
نيروگاه هاي پيل سوختي قابليت استفاده از سوخت هاي مختلف مانند متانول، اتانول، هيدروژن، گاز طبيعي، پروپان و بنزين را دارند و مانند ساير نيروگاه ها محدود به استفاده از يک منبع انرژي خاص نيست. از زمانيکه اولين پيل سوختي نيروگاهي در دهه ۶۰ توليد گشت، تا کنون در مجموع ۶۵۰ سيستم کامل با توان بيش از ۱۰ کيلووات (ميانگين آن ۲۰۰ کيلووات است) ساخته شد. تقريباً ۹۰ درصد از اين واحدها با گاز طبيعي تغذيه مي شود. البته استفاده از سوخت هاي جايگزين نظير بيوگاز و گاز ذغال نيز پيشرفت قابل ملاحظه اي داشته است. در اين بخش نيروگاه انواع متنوع پيل سوختي به کار رفته است. در ابتدا از پيل سوختي اسيد فسفريک آغاز گرديد و سپس پيل سوختي پليمري و پيل سوختي کربنات مذاب جايگزين آن گشتند. در حاليکه پيل سوختي اکسيد جامد در آينده بازار را به قبضه در خواهد آورد.
در بخش پيل هاي سوختي نيروگاهي کوچک (زير ۱۰ کيلووات) نيز رشد قابل ملاحظه اي را شاهد بوديم. تعداد اين واحدها اکنون به ۱۹۰۰ 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 سيستم هاي نيروگاهي کوچک ۲۰ درصد سهم بازار را پيل سوختي اکسيدجامد و مابقي را پيل سوختي پليمري تشکيل مي دهد. بازار پيل سوختي کوچک در ژاپن که به مصارف خانگي اختصاص دارد، منحصراً با پيل سوختي پليمري است و اميد است تا انتهاي سال ۲۰۰۵ 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 ۵ کيلووات، ۱۵۰۰۰ دلار)
دولت ژاپن حمايت خود از توسعه پيل هاي سوختي نيروگاهي در ابعاد بزرگ را از سال ۱۹۸۰ آغاز نموده است و شرکت هاي ژاپني گاز توکيو و Osaca از بزرگترين شرکت هاي توسعه دهنده اين فن آوري مي باشند.
● انواع پيلهاي سوختي
پيلهاي سوختي در انواع زير موجود مي باشند:
پيلهاي سوختي اسيدفسفريکي
پيلهاي سوختي پليمري
پيلهاي سوختي اکسيد جامد
پيلهاي سوختي قليايي
پيلهاي سوختي متانولي
● مزاياي پيل سوختي چيست؟
راندمان بالا، حداقل نشر آلاينده هاي زيست محيطي،امکان استفاده از سوختهاي فسيلي و پاک، مدولار بودن و قابليت توليد همزمان حرارت و الکتريسيته و استفاده در کاربردهاي توليد غيرمتمرکز انرژي از جمله مزاياي پيل سوختي مي باشند.
● روشهاي توليد پيل سوختي
▪ جديدترين راه توليد پيل سوختي
لوي تامپسون، پرفسور مهندسي شيمي و رئيس تيم تحقيقاتي پيل سوختي جديد در اين مورد چنين مي گويد: «ما به سامانه اي رسيده ايم که بسيار مشابه سامانه هايي است که براي توليد ابزارهاي ميکرو الکترونيک مورد استفاده قرار مي گيرد.»
روشي که پرفسور تامپسون و تيم همکار او به آن رسيده اند، استفاده از ميکروفابريکيشن است. ميکروفابريکيشن خلق ساختارهاي فيزيکي، ابزار و مواد مرکبي است که اجزاي تشکل دهنده آنها در حدود يک ميکرومتر هستند. ميکروالکترونيک ها منبع انرژي کالاهاي بسيار زيادي هستند از کارت تبريک صوتي گرفته تا کامپيوترهاي قابل حمل.
تامپسون يکي از بزرگترين موانع استفاده تجاري و گسترده از پيل هاي سوختي را هزينه بالاي ساخت آن مي داند. براي اينکه از اين منبع در مصارف روزمره استفاده کرد، بايد هزينه توليد آن پايين تر بيايد تا مثلا در يک کامپيوتر قابل حمل مورد استفاده قرار گيرد.
در شيوه معمول کنوني، پيل هاي سوختي، مشابه خودروها توليد مي شوند يعني قطعات مختلف آنها به صورت جداگانه ساخته مي شوند و سپس روي هم سوار مي شوند تا يک پيل سوختي توليد شود. اين کار گستره بسيار زيادي دارد و علاوه بر هزينه بالاي آن، که به آن اشاره شد نياز به زمان بسيار زيادي دارد. اما گروه تحقيقاتي تامپسون با استفاده از فرآيند پيشرفته ميکروفابريکيشن، نسل جديد پيل هاي سوختي را مي سازد. اين بار به جاي توليد جداگانه پيل سوختي، آنها به صورت لايه لايه ساخته مي شوند، روشي که در حال حاضر براي ساخت ابزارهاي ميکروالکترونيک مورد استفاده قرار مي گيرد.
محققان دانشگاه ميشيگان اميدوارند با استفاده از اين فن آوري ارزان قيمت و همچنين استفاده از مواد ارزانتر، قيمت پيل هاي سوختي را از ۱۰ هزار دلار براي هر کيلو وات به ۱۰۰۰ دلار برسانند.
با اين قيمت، پيل هاي سوختي مي توانند با باتري هاي يون لتييوم که در سطح وسيع مورد استفاده قرار مي گيرند رقابت کنند.
دانشگاه ميشيگان استفاده از ميکروفابريکيشن براي توليد پيل سوختي را دو سال و نيم پيش آغاز کرد. اولين بازار آنها وسايل برقي است، ولي آنها در گام بعدي مي خواهند از پيل هاي سوختي در اتومبيل ها استفاده کنند.
● سوخت تازه براي پيل هاي سوختي
با استفاده از اسيدفرميک به عنوان سوخت غيرقابل اشتعال در پيل هاي سوختي محصولات الکترونيکي قابل حمل بدون اتصال به شبکه برق کار مي کنند. شرکت هاي BASE و Tekion توسعه دهنده پيل هاي سوختي مينياتوري براي محصولات قابل حمل به منظور توسعه اسيدفرميک به عنوان سوخت براي فناوري پيل سوختي Tekion تفاهم نامه اي امضا کردند.BASE بزرگترين توليد کننده اسيدفرميک در دنيا محسوب مي شود و قصد دارد با همکاري Tekion، فرمولاسيون مناسبي را براي اسيدفرميک تهيه و آزمايش کند. اين دو شرکت همچنين در زمينه توسعه کدها و استانداردهاي مرتبط با اين موضوع نيز فعاليت خواهند داشت و تجربه هايشان را در زمينه سازگاري اين مواد براي پيل هاي سوختي به اشتراک مي گذارند. بر اساس اين گزارش، اولين کاربرد تجاري محصولات Tekion، يک نمونه «بسته انرژي» است که درون دستگاه هاي الکترونيکي قابل حمل جاي گرفته يا به آنها متصل مي شود تا اين دستگاه ها بتوانند بدون اتصال به شبکه برق کار کنند. اين بسته يک سيستم هيبريدي باتري پيل سوختي مينياتوري است که با نام تجاري بسته انرژي Formira در بازار موجود است و سوخت گيري آن با تعويض کارتريج اسيدفرميک صورت مي گيرد. اين فناوري براي استفاده در محصولات الکترونيکي قابل حمل در محدوده تواني کمتر از ۵۰ وات با انرژي کمتر از ۱۰۰ وات ساعت طراحي شده و از مزاياي قابل توجهي برخوردار است.
● ساخت پيل سوختي با نيروي باکتري
تيمي متشکيل از ميکروبيولوژيست ها، مهندسين و متخصصان شيمي زمين از دانشگاه هاي کاليفرنياي جنوبي و رايس به منظور ساخت پيل هاي سوختي ( به اندازه يک کف دست) با نيروي محرکه باکتري براي تامين انرژي هواپيماهاي جاسوسي همکاري مشترک خود را آغاز کردند. نيروي هوايي آمريکا از مدتها قبل در پي توليد وسايل نقليه هوايي در مقياس مينياتوري (به اندازه حشرات) بود، اما تاکنون اين خواسته به دليل نداشتن منبع انرژي فشرده مناسب ناکام مانده است.
اين گروه تحقيقاتي اميدوار است با سرمايه گذاري ۴ ۴ ميليون دلاري مرکز تحقيقات دانشگاهي در وزارت دفاع (MURI) بتواند با توليد نخستين نمونه بدون سرنشين، طي پنج سال آينده اين انديشه را محقق سازد. بر اساس اين گزارش، در دانشگاه رايس به منظور درک چگونگي اتصال و اثر متقابل باکتري Sewanella بر سطوح آند در پيل سوختي، تحقيقاتي در حال انجام است.
آند در پيل سوختي و باتري ها، وظيفه جمع آوري الکترون اضافي را بر عهده دارد و اين تيم قصد دارد شرايط بهينه انتقال الکترون ها در سطح آند در شرايط مختلف را تعيين کند.
اجزاي اصلي اين سيستم باکتري، سطح و محلول هضم کننده باکتري است که تغيير هر يک از اين عوامل روي دو عامل ديگر مؤثر بوده و هدف، يافتن شرايط بهينه عملکرد سيستم کلي است.
دانشگاه کاليفرنياي جنوبي در زمينه روش هاي ژنتيکي، حفظ متابوليسم تنفسي ميکروب ها در محيط هاي با اکسيژن کم، تحقيقاتي انجام داده است. Sewanella يکي از اين باکتري ها براي متابوليسم کامل غذا به جاي اکسيژن از فلز استفاده مي کند و از آنجا که اين ارگانيسم قادر است مستقيما الکترون ها را به اکسيد فلزي جامد انتقال دهد، مي توان آن را در آند پيل سوختي مورد استفاده قرار داد.
در مطالعه پيل سوختي به منظور ارزيابي رفتار باکتري در شرايط مختلف از مدل هاي رايانه اي استفاده شده است که انجام اين آزمايش ها توسط رايانه، موجب تمرکز آزمايش هاي تجربي روي روش هاي مناسب تر و صرفه جويي در زمان و هزينه خواهد شد.
● يکي ديگر از انگيزه هاي وسوه برانگيز بکارگيري پيل سوختي
شرکت جنرال موتورز قصد دارد با برنامه اي بلند مدت، سوخت هيدروژن را به صورت همه گير در خودروها مورد استفاده قرار دهد.
در حال حاضر شش ميليارد و ۴۰۰ ميليون انسان بر روي کره زمين زندگي مي کنند و اين آمار تا سال ۲۰۲۰ به هفت ميليارد و ۵۰۰ ميليون نفر خواهد رسيد. در همين حال پيش بيني مي شود، در مدت زمان فوق شمار افرادي که صاحب خودرو مي شوند ۱۲ تا ۱۵ درصد رشد داشته باشد و اين بدان معني است که تعداد خودروها که در حال حاضر در حدود ۷۷۵ ميليون دستگاه برآورد شده است، تا سال ۲۰۲۰ به بيش از يک ميليارد و ۱۰۰ ميليون دستگاه خواهد رسيد. بنابراين کاهش مصرف سوخت و آلاينده هاي محيط زيست اهميت بسيار زيادي پيدا مي کند که در اين ميان شرکت خودروسازي جنرال موتورز آمريکا با معرفي تکنولوژي پيل سوختي هيدروژني توانسته است اميد به جابجايي بدون آلودگي رادر آينده افزايش دهد.
لذا توسعه خودروهاي پيل سوختي به سرعت در جهان در حال رشد است، به طوري که در حال حاضر شرکت هاي خودروسازي جنرال موتورز و اوپل بيش از يک ميليارد دلار صرف تحقيقات در اين تکنولوژي کرده اند.
هيدروژن ۳ اوپل ثابت کرده است که رانندگي با خودروهاي متفاوت، مسير خود را از آزمايشگاه به جاده هموار کرده است و نمونه اوليه آن در حال حاضر با همکاري شرکت سازنده مبلمان ايکيا (IKEA) در حال گذراندن آزمايشهاي متفاوت است و سکوئل (Seqel) جنرال موتورز به توليد خودروهاي با پيل سوختي نزديک تر شده است.
● هيدروژن ۳ اوپل ؛ دونده دو ماراتن، قهرمان مسابقات رالي
هيدروژن ۳ اوپل جانشين نمونه اوليه هيدروژني است که در بهار سال ۲۰۰۰ معرفي شد و از روي طرح خودرو زافيرا اوپل ساخته شده بود.
نيروي برق اين خودرو توسط ۲۰۰ قطعه پيل سوختي که به صورت سري به يکديگر متصل شده اند، توليد مي شود. اين پيل ها نيروي موتور برقي ۸۲ اسب بخار بر ۶۰ کيلووات هيدروژن ۳ را تامين مي کند. اين نيروگاه که حداکثر ۲۱۵NM گشتاور توسعه مي دهد، حداکثر سرعتي برابر با ۱۶۰ کيلومتر بر ساعت توليد مي کند و در کمتر از ۱۶ ثانيه از صفر تا ۱۰۰ کيلومتر در ساعت شتاب مي گيرد که در حالتي کاملا بي صداست.
در مسابقات ماراتن تابستان سال ۲۰۰۴، هيدروژن ۳ اوپل توانست بدون هيچ مشکلي ۹ هزار و ۶۹۶ کيلومتر را در ۱۴ کشور مختلف اروپايي طي کند. در آوريل سال ۲۰۰۵ نيز اين خودرو توانست جايزه مسابقات رالي مونت کارلو را براي وسايل نقليه داراي پيل سوختي از آن خود کند.
شرکت خودروسازي اوپل اکنون در حال گسترش تکنولوژي آزمايشهاي پيل سوختي با همکاري شرکت سوئدي ايکيا مي باشد. وسايل نقليه پيل سوختي هيدروژن ۳ که عاري از آلاينده هاي زيست محيطي مي باشد از اوايل تابستان سال گذشته تحويل کالاها به مشتريان ايکيا را در برلين آغاز کرده است. سوخت اين وسايل نقليه با هيدروژن مايع تامين مي شود.
آزمايشهاي اين خودروها تحت نظارت پروژه همکاري انرژي پاک دولت آلمان انجام مي شود که عملکرد انرژي ۱۷ خودرو با سوخت هيدروژني را تحت شرايط خاص آزمايش مي کند.
بزرگترين جايگاه سوخت گاز هيدروژني جهان در پاييز سال ۲۰۰۴ در پايتخت آلمان آغاز به کار کرد و قرار است علاوه بر گاز هيدروژن و هيدروژن مايع، بنزين و گازوئيل نيز به مردم ارايه کند.
● سکوئل جنرال موتورز
خودروي سکوئل جنرال موتورز محصولي است که تمامي نتايج تحقيقات فشرده که طي چند سال اخير از سوي بزرگترين خودروساز جهان انجام شده است را در بر دارد؛ پروژه اي که جنرال موتورز بيش از يک ميليارد دلار در آن سرمايه گذاري کرده است. اين خودرو جادار به گونه اي طراحي شده است که کمترين آلايندگي محيط زيست را دارد. در اين خودرو سه منبع با فشار بالا تعبيه شده است که موقعيت آنها در ميانه شاسي باعث بهبود مرکز ثقل خودرو مي شود. اين خودروها که از اصلاحات فني بسيار زيادي نيز بهره مند مي باشند منحصر به فرد هستند.
خودروي سکوئل جنرال موتورز به دليل افزايش ۲۵ درصدي نيرو توسط تکنولوژي جديد مي تواند سرعت صفر تا ۱۰۰ کيلومتر را در کمتر از ۱۰ ثانيه به دست آورد.
اجزاي پيل سوختي شامل توده پيل سوختي، دستگاه فرعي هيدروژن و فرآوري هوا، سيستم خنک کننده و سيستم توزيع ولتاژ بالا مي باشد.

پيل سوختي ، پيل الکتروشيميايي اوليه است که در آن ، الکتريسته مستقيما بر اثر واکنش سوخت گازي يا سوخت مايع توليد مي شود که اين سوخت با يکي از الکترودها ...

تاريخچه پيل سوختي اگر چه پيل‌سوختي به تازگي به عنوان يكي از راهكارهاي توليد انرژي الكتريكي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و كار دانشمند انگ ...

پيلهاي خورشيدي زميني که معمولاً از سيلسيوم تک بلوري تهيه مي شوند. پيلهاي معمولي از نوع n روي p از قرصهاي گردسيليسيومي به ضخامت ۳ ۰ ميليمتر تهيه مي شون ...

اگر چه پيلسوختي به تازگي به عنوان يکي از راهکارهاي توليد انرژي الکتريکي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگليسي سرويليام گرو ب ...

کم ر ويي، يک پديده پيچيده رواني اجتماعي است. کم ر ويي، يک صفت يا ويژگي ارثي يا ژنتيکي نيست، بلکه اساساً در نتيجه روابط نادرست بين فردي و سازش نايافتگي ...

امروزه با توجه به آلودگي هاي ناشي از خودروها و محدوديت هاي سوخت فسيلي، کارخانه هاي خودروسازي گام مهمي در مقابله با اين امر برداشته اند که از جمله آنها ...

هدف از ارائه اين مقاله، ترسيم چشم­اندازي براي آينده مصرف سوخت­هاي پايه نفتي و جلوگيري از انتشار آلاينده­هاي ناشي از آن است. سياست­ها و راه­حل­هاي مختل ...

● عملياتي که در توليد و تصفيه نفت بر روي نفت خام انجام مي گيرند، عبارتند از: روش هاي گوناگون تقطير ، روش هاي فيزيکي و شيميايي تصفيه و تفکيک و روش هاي ...

دانلود نسخه PDF - پيل سوختي