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

پيل سوختي

تاريخچه پيل سوختي

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 بر ميگردد. او اولين پيلسوختي را در سال ۱۸۳۹ با سرمشق گرفتن از واکنش الکتروليز آب، طي واکنش معکوس و در حضور کاتاليست پلاتين ساخت.
واژه پيلسوختي در سال ۱۸۸۹ توسط لودويک مند و چارلز لنجر به کار گرفته شد. آنها نوعي پيلسوختي که هوا و سوخت ذغالسنگ را مصرف ميکرد، ساختند. تلاشهاي متعددي در اوايل قرن بيستم در جهت توسعه پيلسوختي انجام شد که به دليل عدم درک علمي مسئله هيچ يک موفقيت آميز نبود. علاقه به استفاده از پيل سوختي با کشف سوختهاي فسيلي ارزان و رواج موتورهاي بخار کمرنگ گرديد.
فصلي ديگر از تاريخچه تحقيقات پيلسوختي 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 ميباشد. اين اختراع که اولين پيلسوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد. او ۲۷ سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يک پيلسوختي کامل وکارا ارائه نمايد. بيکون در سال ۱۹۵۹ پيلسوختي با توان ۵ کيلووات را توليد نمود که ميتوانست نيروي محرکه يک دستگاه جوشکاري را تامين نمايد.
تحقيقات جديد در اين عرصه از اوايل دهه ۶۰ ميلادي با اوج گيري فعاليتهاي 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 گزينههاي موجود نظير باتري (به علت سنگيني)، انرژي خورشيدي(به علت گران بودن) و انرژي هستهاي (به علت ريسک بالا) پيلسوختي را انتخاب نمود.
تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيلسوختي پليمري توسط شرکت جنرال الکتريک منجر شد. ايالات متحده فنآوري پيل سوختي را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود که اولين کاربرد تجاري پيلسوختي بود.
پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپيما پيلسوختي 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 پيلسوختي بعنوان منبع انرژي الکتريکي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيلهاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد ميکرد. پس از کاربرد پيلهاي سوختي در اين پروژهها، دولتها و شرکتها به اين فنآوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي توليد انرژي پاک در آينده توجه روزافزوني نشان دادند.
از سال ۱۹۷۰ فنآوري پيلسوختي براي سيستمهاي زميني توسعه يافت. تحريم نفتي از سال۱۹۷۳-۱۹۷۹ موجب تشديد تلاش دولتمردان امريکا و محققين در توسعه اين فنآوري 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 پيلسوختي بسيار گسترده است و کاربردهاي دولتي، نظامي و صنعتي را شامل ميشود. همچنين به عنوان نيروي پشتيبان در مواقع اضطراري در مخابرات، صنايع پزشکي، ادارات، بيمارستانها، هتلهاي بزرگ و سيستمهاي کامپيوتري به کار ميرود.
پيلهاي سوختي نسبتاً آرام و بيصدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسبند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاهها ميتوان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
اين نيروگاهها در مصارف کوچک بازدهي الکتريکي بالايي دارند و همچنين در ترکيب با نيروگاههاي گاز طبيعي بازدهي الکتريکي آنها به ۷۰-۸۰% ميرسد.
مزيت ديگر اين نيروگاهها عدم آلودگي محيط زيست است. خروجي نيروگاههاي پيلسوختي بخارآب مي باشد.
نيروگاههاي پيل سوختي قابليت استفاده از سوختهاي مختلف مانند متانول، اتانول، هيدروژن، گاز طبيعي، پروپان و بنزين را دارند و مانند ساير نيروگاهها محدود به استفاده از يک منبع انرژي خاص نيست. از زمانيکه اولين پيلسوختي 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 سوختهاي جايگزين نظير بيوگاز و گاز ذغال نيز پيشرفت قابل ملاحظهاي داشته است. در اين بخش نيروگاه انواع متنوع پيلسوختي به کار رفته است. در ابتدا از پيلسوختي اسيد فسفريک آغاز گرديد و سپس پيلسوختي پليمري و پيلسوختي کربنات مذاب جايگزين آن گشتند. در حاليکه پيلسوختي اکسيد جامد در آينده بازار را به قبضه در خواهد آورد.
در بخش پيلهاي سوختي نيروگاهي کوچک (زير ۱۰ کيلووات) نيز رشد قابل ملاحظهاي 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 سيستمهاي نيروگاهي کوچک ۲۰ درصد سهم بازار را پيلسوختي اکسيدجامد و مابقي را پيلسوختي پليمري تشکيل ميدهد. بازار پيلسوختي کوچک در ژاپن که به مصارف خانگي اختصاص دارد، منحصراً با پيلسوختي 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 پيلهاي 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 فنآوري ميباشند.
● انواع پيلهاي سوختي
پيلهاي سوختي در انواع زير موجود مي‎باشند:
پيلهاي سوختي اسيدفسفريکي
پيلهاي سوختي پليمري
پيلهاي سوختي اکسيد جامد
پيلهاي سوختي قليايي
پيلهاي سوختي متانولي
● مزاياي پيل سوختي چيست؟
راندمان بالا، حداقل نشر آلاينده‎هاي 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 مي‎باشند.
● 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 ميکروبيولوژيستها، مهندسين و متخصصان شيمي زمين از دانشگاههاي کاليفرنياي جنوبي و رايس به منظور ساخت پيلهاي 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 سرمايهگذاري 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 باتريها، وظيفه جمعآوري الکترون اضافي را بر عهده دارد و اين تيم قصد دارد شرايط بهينه انتقال الکترونها 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 روشهاي ژنتيکي، حفظ متابوليسم تنفسي ميکروبها در محيطهاي با اکسيژن کم، تحقيقاتي انجام داده است. Sewanella يکي از اين باکتريها براي متابوليسم کامل غذا به جاي اکسيژن از فلز استفاده ميکند و از آنجا که اين ارگانيسم قادر است مستقيما الکترونها 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 مدلهاي رايانهاي استفاده شده است که انجام اين آزمايشها توسط رايانه، موجب تمرکز آزمايشهاي تجربي روي روشهاي مناسبتر و صرفهجويي 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 ميکنند و اين آمار تا سال ۲۰۲۰ به هفت ميليارد و ۵۰۰ ميليون نفر خواهد رسيد. در همين حال پيشبيني ميشود، در مدت زمان فوق شمار افرادي که صاحب خودرو ميشوند 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 آلايندههاي محيط زيست اهميت بسيار زيادي پيدا ميکند 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 شرکتهاي خودروسازي جنرال موتورز و اوپل بيش از يک ميليارد دلار صرف تحقيقات در اين تکنولوژي کردهاند.
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 نزديکتر 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 شدهاند، توليد ميشود. اين پيلها نيروي موتور برقي ۸۲ اسب بخار بر ۶۰ کيلووات هيدروژن ۳ را تامين ميکند. اين نيروگاه که حداکثر ۲۱۵NM گشتاور توسعه ميدهد، حداکثر سرعتي برابر با ۱۶۰ کيلومتر بر ساعت توليد ميکند و در کمتر از ۱۶ ثانيه از صفر تا ۱۰۰ کيلومتر در ساعت شتاب ميگيرد که در حالتي کاملا بيصداست.
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 ميباشد. وسايل نقليه پيل سوختي هيدروژن ۳ که عاري از آلايندههاي زيست محيطي ميباشد از اوايل تابستان سال گذشته تحويل کالاها به مشتريان ايکيا را در برلين آغاز کرده است. سوخت اين وسايل نقليه با هيدروژن مايع تامين ميشود.
آزمايشهاي اين خودروها تحت نظارت پروژه همکاري انرژي پاک دولت آلمان انجام ميشود که عملکرد انرژي ۱۷ خودرو با سوخت هيدروژني را تحت شرايط خاص آزمايش ميکند.
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؛ پروژهاي که جنرال موتورز بيش از يک ميليارد دلار در آن سرمايهگذاري کرده است. اين خودرو جادار به گونهاي 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 ميشود. اين خودروها که از اصلاحات فني بسيار زيادي نيز بهرهمند ميباشند منحصر به فرد هستند.
خودروي سکوئل جنرال موتورز به دليل افزايش ۲۵ درصدي نيرو توسط تکنولوژي جديد ميتواند 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 ميباشد.

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 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 ...

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