تاپیک انواع منابع انرژی نو

[ریپورتر]

سلول سوختی تبادل پروتونی (PEMFC) یکی از رایجترین تکنولوژی ها در این زمینه است. این سلول سوختی می تواند به طور کامل برق ماشینها ، اتوبوسها و شاید خانه هایتان را تأمین نماید. PEMFC از یکی از ساده ترین واکنشهای سلول سوختی استفاده می کند.ابتدا به ساختار سلول سوختی PEM (proton exchange membrane )نگاهی می اندازیم.

شکل1.اجزای یک سلول سوختی PEM
در شکل1 ملاحظه می فرمایی که 4 عنصر پایه ای در PEMFC وجود دارند.
· آند، قطب منفی یک سلول سوختی، که چندین وظیفه دارد. الکترونهای کنده شده از مولکول هیدروژن را برای استفاده در یک مدار خارجی هدایت می کند. با مجراهای موجود در آن گاز هیدروژن آزاد شده را بر روی سطح کاتالیزگر پخش می کند.
· کاتد ، قطب مثبت یک سلول سوختی که مجراهای موجود در آن اکسیژن را روی سطح کاتالیزگر پخش می کنند. همچنین الکترونها را از مدار خارجی به سمت کاتالیزگر هدایت می کند که در آنجا با اکسیژن و یونهای هیدروژن ترکیب شده و آب تشکیل می شود.
· الکترولیت ، که غشا و پل تبادل پروتون است. این ماده با رفتاری خاص، که شبیه به یک صافب پلاستیکی معمولی موجود در آشپزخانه است، فقط یونهای در حال حرکت را از خود عبور می دهد. این غشا راه الکترونها را می بندد.
· کاتالیزگر یک ماده مخصوص است که واکنش هیدروژن و اکسیژن را آسان می کند. که معمولاً از گرد پلاتین با ورقه ای بسیار نازک از کربن روی ان ساخته می شود. کاتالیزگر درشت و متخلخل (پرمنفذ) است تا بیشترین سطح ممکن در مجاورت هیدروژن یا اکسیژن قرار گیرد. قسمت پوشیده از پلاتین کاتالیزگر طرف PEM قرار می گیرد.
فرآیند شیمیایی یک سلول سوختی
2H2 à 4H+ + 4e- : قطب آند

[ریپورتر]

O2 + 4H+ 4e- à2H2O : قطب کاتد

2H2 + O2 à2H2O : واکنش کلی

شکل 2 نشان می دهد که هیدروژن که قبلاً تنظیم فشار شده، از قطب آند وارد سلول سوختی می شود. فشار، این گاز را به سمت کاتالیزگر فشرده می کند. هنگامی که یک ملکول H2 در تماس پلاتین قرار گیرد، به دو یون H+ و دو الکترون (e) تجزیه می شود . الکترونها از طریق آند به مدار خارجی راه پیدا می کنند(که کار مفیدی همچون چرخاندن یک موتور انجام می دهد) و به قطب کاتد سلول سوختی باز می گردد.
در این بین، در قطب کاتد سلول سوختی گاز اکسیژن (O2) به سمت کاتالیزگر هدایت می شود، که در آنجا دو اتم اکسیژن تشکیل می شوند. هر کدام از این اتمها الکترونگاتیوی زیادی دارند. این الکترونگاتیوی دو یون H+ را جذب و از بین غشا عبور می دهد که در آنجا با اتم اکسیژن و دو الکترون از مدار خارجی ترکیب شده و ملکول آب (H2O) را تشکیل می دهند.
این واکنش در یک سلول سوختی فقط حدود 0.7 ولت تولید می کند. برای بالا بردن این ولتاژ تا یک حد منطقی، سلولهای سوختی جدا از هم زیادی باید با هم ترکیب شوند تا یک بسته سلول سوختی را تشکیل دهند.PEMFC ها در دمای نسبتاً کمی کار می کنند (تقریباً در 176˚F معادل 80˚C ) بدین معنی که آنها سریع گرم می شوند اما سازه نگهدارنده گرانقیمتی نیاز ندارند. ارتقا و پیشرفت پیوسته در مهندسی و موادی که در این سلولها به کار می رود چگالی برقی را تا حدی بالا برده است که یک وسیله با اندازهای معادل یک چمدان کوچک می تواند برق یک ماشین را تأمین کند.
مشکلات سلول سوختی:
در قسمت آخر آموختیم که یک سلول سوختی از هیدروژن و اکسیژن برای تولید الکتریسیته استفاده می کند. اکسیژن مورد نیاز سلول سوختی از هوا تأمین می شود. در حقیقت، در سلولهای سوختی PEM ، هوای عادی به کاتد پمپ می شود. به هر حال هیدروژن نیز خیلی آماده و در دسترس نیست. هیدروژن یک سری محدودیت هایی داردکه آن را بیشتر برای مصارف ، غیر کاربردی می کند. مثلاً شما لوله کشی

[ریپورتر]

· باشند با استفاده از هر pc25 سالانه 18 تن آلاینده کمتر به هوا وارد می شود.

پیل های سوختی کربنات مذاب:
· این نوع پیل ها در سال 1960 با هدف استفاده از سوخت تولید شده توسط ذغال سنگ ساخته شده اند ولیکن امروزه بر اساس سوخت تولید شده از گازهای طبیعی یا دیگر سوخت های فسیلی کار می کنند. انتظار می رود که پیل های سوختی کربنات مذاب به تدریج جایگزین پیل های سوختی اسید فسفریک گردند. هم اکنون سه شرکت بزرگ آمریکایی و نیز شرکت های ژاپنی و اروپایی در حال توسعه و بهینه سازی فن آوری پیل های سوختی کربنات مذاب می باشند.

· ساختمان پیل های سوختی کربنات مذاب:
· الکترولیت این نوع پیل ها کربنات مذاب است که معمولا ترکیبی از کربنات های قلیایی سدیم و پتاسیم و یا کربنات های لیتیم و پتاسیم با نسبت مولی 62 به 38 می باشد.استفاده از مخلوط نمک های قلیایی باعث پایین آمدن نقطه ذوب الکترولیت می شود. به کار بردن کربنات سدیم به جای کربنات پتاسیم خاصیت بازی الکترولیت را افزایش می دهد و از انحلال کاتد درالکترولیت می کاهد. الکترولیت دارای رسانایی یونی باای است و نسبت به گازها نفوذ ناپذیر است.نقطه ذوب اکسید ها یونی بالاتر از c1000 استو نقطه ذوب نمک های دارای آنیون اکسیژن مثل نیترات ها، سولفات ها و کربنات ها پایین تر از این مقدار است( حدود 600 تا 800 درجه). بر همین اساس با توجه به این که الکترولیت به کار رفته در این نوع پیل ها نمک دارای آنیون اکسیژن است، دمای عملکرد آنها بین 600 تا 800 درجه است که دراین دما الکترولین به صورت مذاب رسانای یون است. برای فعال بودن الکترولیت لازم است که دمای عملکرد آن بالا نگه داشته شود و برای سرد کردن نقاط حساس به گرما، حجم زیادی از هوا از کاتد عبور داده شود. هوا توسط سیستم چرخشی و یا توسط صفحات جداکننده به تجهیزات مزبور می رسد.

[ریپورتر]

اساس کار پیل های سوختی کربنات مذاب

مزایای پیل های سوختی کربنات مذاب:
· دارای بازدهی بالا هستند( بازده تبدیل سوخت به الکتریسیته در این نوع پیل ها بیشتر از 55 % است) دمای بالای این نوع پیل ها باعث تولید مقادیر زیادی گرما می شود و بازدهی را تا 80% بالا می برد.(80% از ارزش انرژی سوخت قابل استفاده است)
· از کاتالیزور در انها استفاده نشده است( چون در دمای بالا کار می کنند و الکتورد ها فعال می باشند)
· امکان تبدیل سوخت به صورت داخلی در انها وجود دارد، درنتیجه از هزینه ساخت مبدل های اضافی کاسته می شود.
· به رغم کوچکتر و ارزانتر از پیل های سوختی پلیمری دارای ولتاژ واقعی بیشتری می باشند
· به لحاظ جنبه های اقتصادی ، فن آوری پیل های سوختی کربنات مذاب در مقایسه با تولید نیرو با استفاده از ذغال سنگ باصرفه تر است
· با توجه به استانداردهای زیست محیطی دارای بهترین فن آوری است

[ریپورتر]

معایب پیل های سوختی کربنات مذاب:
· چون نیکل متخلخل در اند مصرف می شود از مقاومت الکترود در دمای بالا کاسته شده و آند دچار فرسایش می گردد
· کاتد(اکسید نیکل ) در محلول الکترولیت حل شده و در نتیجه از طول عمر پیل کاسته می شود
· با توجه به خورنده بودن الکترولیت ، نشت آن در دراز مدت به پیل آسیب می رساند
· چون دمای عملکرد پیل بالا است امکان تغییر ترکیب شیمیایی الکترولیت وجود دارد
· برای تشکیل یون های کربنات ، به منبع دی اکسید کربن نیاز است
· چون گاز ها با دمای بالا در لوله ها جریان دارند امکان فرسایش و سوراخ شدن لوله ها وجود دارد(از این رو لازم است طول مجاری گازها کوتاهتر و سیستم فشرده تر گردد)
· چون دمای عملکرد بالا است ، مواد به کار رفته باید از جنس فولاد زنگ نزن باشد که در نتیجه هزینه ساخت بالا می رود.

کاربرد پیل های سوختی کربنات مذاب:
· از پیل های سوختی کربنات مذاب در نیروگاه های بزرگ و سیکل های ترکیبی استفاده می شود
· استفاده از آنها در کشتی های بزرگ و نفت کشها مخصوصا در کشتی های حمل کننده گاز مایع طبیعی بسیار به صرفه است، چون در این صورت می توان از گاز مایع طبیعی به عنوان سوخت مورد نیاز پیل نیز استفاده کرد.
· استفاده از چنین پیل هایی مشکل مربوط به آلودگی هوا را که ناشی از سوخت هایی فسیلی در این کشتی است مرتفع می سازد

پیل های سوختی اکسید جامد:
پیل های سوختی اکسید جامد به منظور کاهش قیمت و بهینه سازی عملکرد پیل های سوختی به ویژه پیل سوختی کربنات مذاب طراحی شده اند. الکترولیت به کار رفته در آنها از جنس سرامیک است وجود الکترولیت جامد مشکلات مربوطبه سرب کردن الکترولیت را از بین می برد، و امکان انتقال الکتروایت توسط گازهای اکسیدان و سوخت وجد ندارد. خورندگی الکترولیت و تنظیم آن منفی است و طرح آن انعطاف پذیر می باشد. به عبارت دیگر با توجه به جامد بودن تمامی اجزا، در شکل دهی پیل محدودیتی وجود ندارد و می توان براساس نوع کاربرد مورد نظر آنها را طراحی نمود.دمای عملکرد این نوع پیل حدود c1000 می باشد( تا امکان رسانش یونی وجود داشته باشد) و از این رو جایگزین مناسبی برای