تبلیغات
اندیشه شیمی - پیل سوختی چیست؟
 
اندیشه شیمی
علم شیمی، علم زندگی است
پنجشنبه 1 اردیبهشت 1390 :: نویسنده : مهران نادری

پیل سوختی چیست؟

پیل سوختی یك سیستم الكتروشیمیایی است كه انرژی شیمیایی سوخت - عموما" هیدروژن (و یا متانول) و هوا را به طور مستقیم به انرژی الكتریكی تبدیل می‌كند. این مولد انرژی دارای بازده بالایی است. بازده بالای این سیستم منتج از دوری جستن از چرخه كارنو است.


به ادامه مطلب مراجعه کنید . . .



 در پیل سوختی هیدروژن در قسمت آند اكسید شده و به پروتون و الكترون تقسیم می‌شود. الكترون تولیدی جریان الكتریسیته را موجب می‌گردد. پروتون با عبور از غشاء تبادل یون به سمت كاتد رفته و در حضور كاتالیزور با اكسیژن هوا و الكترون بازگشتی از پیل به آب تبدیل می‌شود و بدینترتیب هیچ آلودگی به وجود نمی‌آید. این واكنش در دمای  80 درجه سانتیگراد (در پیل سوختی دمای پایین PEMFC) انجام می‌پذیرد. واكنش‌های صورت گرفته در آند، كاتد و ماحصل نهایی بصورت زیر است:

H2 2H+  + 2e -

O2 + 4H+ 4e -2H2O

2H2 + O2 2H2O

مزایای پیل سوختی

        -  عدم آلودگی هوا

        -  آلودگی صوتی ناچیز

        -  بازده سوخت بالا، برای مثال بازده پیل سوختی (از چاه نفت تا چرخ خودرو) برابر 45-30% و در مقایسه با بازده كمتر از 17% برای موتورهای احتراق داخلی بیانگر افزایشی بیش از 100% بازده در این نوع سیستم‌ها است. (تصویر1)

        -  طول عمر بالا (بدلیل نبود قطعات و قسمت های متحرك در سیستم )

       -  قابل رقابت از جنبه قیمت و هزینه ها  در تولید انبوه

        -  امكان حصول و بومی كردن تكنولوژی در ایران 

        -  امكان استفاده از منابع تجدیدپذیر (آّب، باد، خورشید و زمین گرمایی) جهت تولید هیدروژن و یا متانول مورد نیاز پیل سوختی 

انواع پیل سوختی

درسال 1889 لودویك مند (L.Mond) و چارلز لنجر (C.Langer) توانستند یك نوع پیل سوختی كه هوا و سوخت ذغال سنگ را مصرف می‌كرد بسازند. در سال 1932 مهندس فرانسیس بیكن (F.Bacon) برای ساخت پیل سوختی فعالیت خویش را آغاز كرد و در اواسط دهه پنجاه موفق به ساخت پیل سوختی

انواع پیل سوختی، نوع الكترولیت، دما و طرز عملكرد آن در شكل 2 به تصویر كشیده شده و در جدول 1 آورده شده است. در میان انواع پیل سوختی، پیل سوختی پلیمری (PEM) به دلیل دارا بودن چگالی قدرت بسیارخوب، قابلیت شروع به كار سریع و عملكرد در دمای 100- 80  درجه سانتیگراد برای استفاده در صنایع خودرو سازی، نیروگاهی، مولد انرژی قابل حمل و كاربردهای نظامی رایج ترین نوع است

 

هیدروژن به صورت طبیعی و خالص در طبیعت وجود ندارد به ناچار مجبور به استفاده از سوخت‌هایی هستیم كه در دسترس و ارزان هستند. در اینجا به بررسی سوختهای اولیه می‌پردازیم كه می‌توانند به عنوان منبع تهیه هیدروژن مورد استفاده قرار گیرند.

در مولدهای ثابت و نیروگاههای پیل سوختی بهتر است كه تبدیل سوخت در كنار پیل سوختی انجام شود در این حالت می‌توان از گرمای تولیدی حاصل از واكنش الكتروشیمیایی پیل سوختی در دستگاه مبدل سوخت استفاده كنیم و در این حالت مشكلات ذخیره سازی و انتقال و به كار گیری هیدروژن به صورت خالص را نخواهیم داشت.

سوختهای فسیلی:

1- نفت خام

نفت خام مخلوطی از گازها و مایعات و جامدات بر پایه هیدروكربنها است كه به صورت خام در اكثر نقاط كره زمین قابل دسترسی است.

نفت خام به تنهایی دارای ارزش نسبتأ كمی است ولی با تبدیل آن به محصولاتی نظیر مایعات و محصولات پتروشیمی و سوختهای دیگر، محصولات با ارزشی تولید خواهد شد. هر برش از نفت خام محتوی اجزای مختلف شیمیایی است كه پارافین ها یا آلكن ها، مونوسیكلیك ها و پلی سیكلیكهای پارافینی(نفتا) و هیدروكربن های آروماتیك تك هسته ای و چند هسته ای را می توانیم نام ببریم.

2- زغال سنگ و گاز ذغال سنگ

ذغال سنگ فراوانترین سوخت فسیلی است ولی از نظر ساختار شیمیایی بسیار پیچیده است این سوخت نیز از فشرده شدن باقیمانده گیاهان و گذشت زمان بوجود آمده است. از سوزاندن ذغال سنگ مایع و گاز كك حاصل می شود كه این مواد بستگی زیادی به ماده اولیه ذغال سنگ، دما و فشار واكنش و مقادیر نسبی از بخار و اكسیژن تزریق شده به داخل رآكتور دارند.

در كارخانجات بزرگ پروسس، ذغال سنگ به همراه بخار و اكسیژن (یا هوا) در دمای بالاتر قرار گرفته و محصول در این حالت گاز خواهد بود كه به همراه گاز مقادیری از محصول مایع و جامد حاصل از واكنش نیز تولید خواهد شد. روش های متفاوتی جهت استحصال گاز ذغال سنگ وجود دارد كه این روشها به سه مجموعه كلی زیر تقسیم می شوند:

1- بستر متحرك 
2- بستر سیال
3- روش(Entrained bed)

در هر سه مورد فوق بخار و هوا یا اكسیژن به ذغال در حال اكسید شدن اضافه می شود.

در روش بستر متحرك واكنشگرها در دمای نسبتأ پایین  (   650- 450 )�C  محصولات متان واتان را به همراه مایعات هیدروكربنی نظیر نفتا- قطران و روغنهای هیدروكربنی و فنلیك ها تولید می كند.

در روش(Entrained bed) واكنش تولید گاز در دمای بالا( 1200  �C)انجام شده در این صورت در صد بالاتری از محصولات گازی تولید شده و میزان كم تری از هیدروكربن های مایع تولید می شود. محصولات گازی تولیدی شامل هیدروژن، مونوكسید كربن و دی اكسید كربن است.

در روش بستر سیال دمای راكتور(1050-�C 925) است. محصولات گازی تولید شده در این راكتور حد واسط دو روش فوق است.

3- گاز طبیعی

گاز طبیعی اغلب در نزدیكی مخازن زیر زمینی نفت خام قرار گرفته ولی به تنهایی نیز در نقاط مختلف زمین یافت می شود. اتان و پروتان با تركیب درصد بسیار كم تر در گاز طبیعی وجود دارند. گاز طبیعی بر اساس میزان H2S موجود در گاز به دو نوع گاز ترش (در صد قابل توجه H2S) وگاز شیرین (درصد كم از H2S) طبقه بندی می شود.

جدول 2 نشان دهنده تركیب در صد اجزای مختلف گاز طبیعی در نقاط مختلف كره زمین است. قبل از اینكه گاز طبیعی به سیستمهای انتقال گاز وارد شود از تركیبات گوگرد و اجزایی با وزن مولكولی بالا , نیتروژن , گازهای اسیدی و مایعات هیدروكربنی وآب از گاز جدا می شود.
 

 

-  سوختهای منشاء زیستی (Biofuel)

بیومس(Bio-mass) و بیومتر(Bio-matter) مفهوم عام مواد آلی هستند كه از ارگانیسم های زنده گرفته 
شده كه شامل گیاهان دریایی وزمینی وهم چنین حیوانات و باقیمانده موجودات زنده می شوند. تخمین زده می شود كه حدود 150 گیگاتن از سبزیجات و گیاهان بیو در هر سال تولید می شود.

با توجه به محتوی انرژی بالای مواد بیومس، این مواد را می توان جزو منابع مهم انرژی های تجدیدپذیر دانست. انرژی این مواد از چند روش قابل استحصال است.

- سوختن مستقیم 
- تبدیل به بیو گاز توسط پیرولیز
- تبدیل به اتانول توسط تخمیر 
- تبدیل شدن به متانول یا آمونیاك
- تبدیل شدن به هیدروكربنهای مایع

منبع دیگر سوختهای بیو(Bio-Fuel) زباله های شهری است.

5- تولید هیدروژن از انرژی خورشیدی ، آب و باد

از آنجائیكه هیدروژن برای حمل ونقل و انبار سازی دراز مدت با چگالی ای بیش از چگالی گاز در حالت مایع قابل استفاده است، می تواند اتكای بشر به سوخت های فسیلی را جایگزین نماید. هیدروژن را می توان از سیستم های فوتوالكتروشیمیائی كه هیدروژن و اكسیژن را مستقیمأ از آب تولید می كنند، بدست آورد. یكی از موفقیت های جدید در این زمینه به توجه ویژه ای نیاز دارد زیرا كه نقش كلروفیل در فوتوسنتز را با كمك ذرات دی اكسیدتیتانیوم روكش شده با رنگ هایی با پایه روتینیم را كه در برابر فوتوسنتز حساس می باشد، تقلید می كند.

بهر حال، در این مورد و سایر تحقیقات فوتوالكتروشیمیائی جاری هنوز نیاز به پیشرفت بسیار زیادتری احساس می شود تا كارآ ئی مكانیزم ها افزایش پیدا كند و مسئله خرابی و تجزیه را كه هنوز در فصل مشترك جامد مایع مزاحمت ایجاد می كند، حل كند. الكترولیز آب با كمك انرژی برق بطور كامل آزمایش شده است و ساده ترین روش برای بدست آوردن هیدروژن است.

می توان تصور كرد كه كشورهای نیمكره شمالی امكانات بالقوه انرژی خورشیدی ملی خود را نسبتا زودتر ازكشورهای جنوب بكار بگیرند و پس از آن زمان مایل به وارد كردن انرژی های تجدیدپذیر باشند. احتمالا ساده ترین راه واردات انرژی های تجدیدپذیر همین هیدروژن خورشیدی است. در این سیستم كه یك پروژه مشترك آلمانی و كانادائی است، الكترولیز آب بوسیله هیدروالكتریسیته انجام می گیرد. هیدروژن تولید شده در كانادا با كشتی به اروپا حمل می شود و در اروپا ذخیره شده و به طرق مختلف به مصرف می رسد. در حال حاضر تنها سازمانهای هوا فضائی هستند كه از انرژی ذخیره شده در هیدروژن استفاده می كنند.      

دو مشكل اصلی كه بر سرراه استفاده از انرژی باد موجود است عبارتند از:

  • به علت نامنظم و غیردائمی بودن وزش باد باید انرژی به دست آمده را به طریقی ذخیره نمود.

  • انرژی موجود باد بسیار پراكنده است به طوری كه وسعت زمین لازم برابر بدست آوردن انرژی از باد پنج برابر وسعت زمین لازم برای بدست آوردن همان مقدار انرژی از خورشید به وسیله سلول های خورشیدی می باشد.

یعنی مواقعی كه باد نمی وزد و یا سرعت آن كم است نباید در تولید جریان برق و ولتاژ آن اختلالی پیش بیاید و لذا بدین منظور باید یك منبع ذخیره برق به صورت باطری های متعدد موجود باشد ابتدا جریان برق تولید شده توسط ژنراتور بادی آن را شارژ نموده و سپس این منبع جریان مستقیم به وسیله دستگاهی به جریان متناوب با ولتاژ جریان و فركانس منظم تبدیل شود و مورد استفاده قرار بگیرد.

برخی از ویژگی های انرژی های تجدید پذیر (نوین):

         - این انرژی ها بطور وسیع توزیع شده و نسبتاً پراكنده هستند.

        -  از نظر تجاری هنوز بطور جزئی توسعه یافته اند. مصرف كنندگان چنین انرژی هایی با شرایط متفاوتی روبرو هستند.

        -  این منابع اساساً نامحدود هستند لكن با درك موجود، گران و غیرقابل اعتماد تلقی می شوند.

        -  اغلب آنها از نظر زیست محیطی بی خطر بوده یا می توانند بی خطر باشند.





نوع مطلب : نانو شیمی، 
برچسب ها :


آمار وبلاگ
  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :

 
 
تمامی حقوق این وبلاگ محفوظ است |طراحی : پیچک
 


قالب میهن بلاگ

download

قالب بلاگفا

قالب وبلاگ

قالب بلاگ اسکای

قالب پرشین بلاگ

اخلاق اسلامی

قالب وبلاگ