faridbensaeed
23rd August 2011, 02:37 PM
. پيل سوختي قليايي
پيلهاي سوختي قليايي از قديميترين انواع پيلهاي سوختي هستند اما تاريخچه دقيقي از روند پيشرفت آنها در دسترس نيست. در دهه هاي 1950 و 1960 ميلادي برنامه هاي مهمي در زمينه رشد و گسترش پيل سوختي قليايي انجام شد که اکثر اين برنامهها در اوايل دهه 70 متوقف شدند. علت متوقف شدن اين برنامه ها عدم وجود انگيزه لازم براي فعاليت در اين زمينهها بود، زيرا در آن زمان سوخت ارزان به وفور در دسترس بود و ملاحظات زيست محيطي نيز مطرح نبود.
شرايط و نحوه عملکرد: الکتروليت مورد استفاده در پيل سوختي قليايي، هيدروکسيد پتاسيم با غلظت 85 درصد وزني براي شرايط کار در دماي بالا ( 260 درجه سانتيگراد ) و براي کار در دماي پايينتر (حدود 120 درجه سانتيگراد) غلظت 35 تا 50 درصد وزني يا کمتر مورد استفاده قرار ميگيرد.
اکثر پيلهاي سوختي قليايي در محدوده دمايي 60 تا 80 درجه سانتيگراد کار ميکنند. فشار در اين حالت در حد چند اتمسفر است ولي در بسياري از موارد، اين سل ها در فشار اتمسفري کار مي کنند. در اين حالت جداسازي آب و حرارت از سيستم بسيار مهم است.
طرز کار اين پيلها بدين صورت است که، در آند سوخت (هيدروژن) با يونهاي هيدروکسيد ترکيب شده و مطابق واکنش زير آب و الکترون توليد مي کند:
در کاتد اکسيژن با آب و الکترونهاي منتقل شده از آند ترکيب شده و يونهاي هيدروکسيل توليد مينمايد که بعد از عبور ازالکتروليت مجددا در آند با هيدروژن ترکيب مي شود:
بنابراين واکنش کلي پيل سوختي قليايي به شرح زير ميباشد:
نکتهاي که بايد در پيل هاي سوختي قليايي به آن توجه کرد اين است که در کاتد، يونهاي هيدروکسيل بعد از عبور از الکتروليت در آند با هيدروژن ترکيب مي شوند و آب توليد شده در آند دو برابر آب مصرفي در کاتد است و بايد بطور مداوم تخليه شود. نکته ديگر سوخت مورد استفاده است. مونوکسيد کربن، کاتاليزور الکترود را مسموم مي کند و دي اکسيد کربن با هيدروکسيد پتاسيم که به عنوان الکتروليت در پيل هاي سوختي قليايي به کار ميرود واکنش مي دهد و رسوب کربنات پتاسيم توليد ميشود، بنابراين لازم است هيدروژن عاري از هر مقدار مونوکسيد کربن باشد.
طول عمر :
کارکرد اقتصادي پيل سوختي يکي از موارد لازم در طراحي پيل سوختي است. در برخي کاربردها طول عمري حدود 1000 تا 5000 ساعت کافي به نظر ميرسد ولي در موارد ديگر شايد عمري برابر با 25000 ساعت يا بيشتر نيز مورد نياز باشد. در مواردي که از پيل سوختي در نيروگاهها استفاده مي شود طول عمري حدود 40000 ساعت لازم به نظر مي رسد. پايداري تکنيکي سري پيل سوختي تابع پايداري کاتاليست و کارايي آن است که در اين زمينه بايد تکنولوژي الکترود بهبود يابد . در حال حاضر برخي انواع سري هاي پيل سوختي قليايي ، داراي طول عمر حداقل 5000 ساعت اند.
مزايا و معايب:
بيشرين پيشرفت و کاربرد پيل هاي سوختي قليايي مربوط به دهه هاي پنجاه و شصت بوده است. به واسطه مشخصات کارکردي و قيمت پايين، اين نوع پيل سوختي جذابيت خاصي داشت. پيلهاي سوختي قليايي داراي مزاياي زير مي باشند.
1- الکتروکاتاليست مورد نياز از جنس فلزات کمياب و ناياب نيست و مي توان از اکسيد فلزات ارزان قيمت در تهيه الکترود و الکتروکاتاليست استفاده کرد.
2- در دماي پايين کارايي مناسب دارد.
3- راندمان بالا و کارکرد خوبي دارد و احياي اکسيژن در کاتد با سرعت خوبي انجام ميشود.
4- به دليل دماي کارکرد پايين، زمان راهاندازي کمي نياز دارد.
معايب پيل سوختي قليايي عبارتند از :
1- حساسيت الکتروليت به دي اکسيد کربن
2- مايع بودن الکتروليت
3- خوردگي الکترود ها بعلت الکتروليت
کاربردها:
کاربردهاي فضايي يکي از موارد کاربرد شناخته شده براي پيل هاي سوختي قليايي است. اولين بار اين پيل ها در پروژه فضايي آپولو اس پي اي و در برنامه فضايي جنمي به کار گرفته شدند. براي کاربرد هاي فضايي مهمترين خواسته ها عبارتند از قابليت اطمينان، وزن کم و حجم کم. براي رسيدن به اين منظور استفاده از ميزان زيادي کاتاليست، ساختار فشرده پيل، اعمال فشار بالا و استفاده از اکسيژن خالص پيشبيني شده است.
مزيت استفاده از اين سيستم پيشرفته ولتاژ بالاي توليدي و بازده الکتريکي بالا (بيش از 70% ) بوده است. زمان راه اندازي کوتاه پيل سوختي قليايي نيز از مزاياي اين نوع پيل سوختي مي باشد.
دماي کارکرد پايين, عملکرد بي سر و صدا و محصولات سالم و غير سمي واکنش از مشخصات پيل هاي سوختي قليايي است. در کاربردهاي نظامي تشخيص اين پيل ها توسط دستگاههاي آشکار ساز اکوستيک و مادون قرمز خيلي مشکل مي شود. باوجود پتانسيل خوب استفاده از اين پيل ها در صنايع نظامي ميزان کمي از موارد استفاده از اين پيل ها در صنايع نظامي گزارش شده است .
مورد جالب ديگر براي استفاده از پيل سوختي قليايي، کاربرد هاي ايستگاهي و قرار گرفتن اين پيل ها در کنار کارخانه جات توليد کلر است. در کارخانه جات توليد کلر، هيدروژن با خلوص خيلي بالا به عنوام محصول جانبي توليد مي شود. اين هيدروژن را مي توان به پيل سوختي قليايي منتقل کرد و از انرژي حاصل براي توليد کلر استفاده کرد. در اين حالت بين 15-20% در مصرف انرژي صرفه جويي مي شود.
پيلهاي سوختي قليايي از قديميترين انواع پيلهاي سوختي هستند اما تاريخچه دقيقي از روند پيشرفت آنها در دسترس نيست. در دهه هاي 1950 و 1960 ميلادي برنامه هاي مهمي در زمينه رشد و گسترش پيل سوختي قليايي انجام شد که اکثر اين برنامهها در اوايل دهه 70 متوقف شدند. علت متوقف شدن اين برنامه ها عدم وجود انگيزه لازم براي فعاليت در اين زمينهها بود، زيرا در آن زمان سوخت ارزان به وفور در دسترس بود و ملاحظات زيست محيطي نيز مطرح نبود.
شرايط و نحوه عملکرد: الکتروليت مورد استفاده در پيل سوختي قليايي، هيدروکسيد پتاسيم با غلظت 85 درصد وزني براي شرايط کار در دماي بالا ( 260 درجه سانتيگراد ) و براي کار در دماي پايينتر (حدود 120 درجه سانتيگراد) غلظت 35 تا 50 درصد وزني يا کمتر مورد استفاده قرار ميگيرد.
اکثر پيلهاي سوختي قليايي در محدوده دمايي 60 تا 80 درجه سانتيگراد کار ميکنند. فشار در اين حالت در حد چند اتمسفر است ولي در بسياري از موارد، اين سل ها در فشار اتمسفري کار مي کنند. در اين حالت جداسازي آب و حرارت از سيستم بسيار مهم است.
طرز کار اين پيلها بدين صورت است که، در آند سوخت (هيدروژن) با يونهاي هيدروکسيد ترکيب شده و مطابق واکنش زير آب و الکترون توليد مي کند:
در کاتد اکسيژن با آب و الکترونهاي منتقل شده از آند ترکيب شده و يونهاي هيدروکسيل توليد مينمايد که بعد از عبور ازالکتروليت مجددا در آند با هيدروژن ترکيب مي شود:
بنابراين واکنش کلي پيل سوختي قليايي به شرح زير ميباشد:
نکتهاي که بايد در پيل هاي سوختي قليايي به آن توجه کرد اين است که در کاتد، يونهاي هيدروکسيل بعد از عبور از الکتروليت در آند با هيدروژن ترکيب مي شوند و آب توليد شده در آند دو برابر آب مصرفي در کاتد است و بايد بطور مداوم تخليه شود. نکته ديگر سوخت مورد استفاده است. مونوکسيد کربن، کاتاليزور الکترود را مسموم مي کند و دي اکسيد کربن با هيدروکسيد پتاسيم که به عنوان الکتروليت در پيل هاي سوختي قليايي به کار ميرود واکنش مي دهد و رسوب کربنات پتاسيم توليد ميشود، بنابراين لازم است هيدروژن عاري از هر مقدار مونوکسيد کربن باشد.
طول عمر :
کارکرد اقتصادي پيل سوختي يکي از موارد لازم در طراحي پيل سوختي است. در برخي کاربردها طول عمري حدود 1000 تا 5000 ساعت کافي به نظر ميرسد ولي در موارد ديگر شايد عمري برابر با 25000 ساعت يا بيشتر نيز مورد نياز باشد. در مواردي که از پيل سوختي در نيروگاهها استفاده مي شود طول عمري حدود 40000 ساعت لازم به نظر مي رسد. پايداري تکنيکي سري پيل سوختي تابع پايداري کاتاليست و کارايي آن است که در اين زمينه بايد تکنولوژي الکترود بهبود يابد . در حال حاضر برخي انواع سري هاي پيل سوختي قليايي ، داراي طول عمر حداقل 5000 ساعت اند.
مزايا و معايب:
بيشرين پيشرفت و کاربرد پيل هاي سوختي قليايي مربوط به دهه هاي پنجاه و شصت بوده است. به واسطه مشخصات کارکردي و قيمت پايين، اين نوع پيل سوختي جذابيت خاصي داشت. پيلهاي سوختي قليايي داراي مزاياي زير مي باشند.
1- الکتروکاتاليست مورد نياز از جنس فلزات کمياب و ناياب نيست و مي توان از اکسيد فلزات ارزان قيمت در تهيه الکترود و الکتروکاتاليست استفاده کرد.
2- در دماي پايين کارايي مناسب دارد.
3- راندمان بالا و کارکرد خوبي دارد و احياي اکسيژن در کاتد با سرعت خوبي انجام ميشود.
4- به دليل دماي کارکرد پايين، زمان راهاندازي کمي نياز دارد.
معايب پيل سوختي قليايي عبارتند از :
1- حساسيت الکتروليت به دي اکسيد کربن
2- مايع بودن الکتروليت
3- خوردگي الکترود ها بعلت الکتروليت
کاربردها:
کاربردهاي فضايي يکي از موارد کاربرد شناخته شده براي پيل هاي سوختي قليايي است. اولين بار اين پيل ها در پروژه فضايي آپولو اس پي اي و در برنامه فضايي جنمي به کار گرفته شدند. براي کاربرد هاي فضايي مهمترين خواسته ها عبارتند از قابليت اطمينان، وزن کم و حجم کم. براي رسيدن به اين منظور استفاده از ميزان زيادي کاتاليست، ساختار فشرده پيل، اعمال فشار بالا و استفاده از اکسيژن خالص پيشبيني شده است.
مزيت استفاده از اين سيستم پيشرفته ولتاژ بالاي توليدي و بازده الکتريکي بالا (بيش از 70% ) بوده است. زمان راه اندازي کوتاه پيل سوختي قليايي نيز از مزاياي اين نوع پيل سوختي مي باشد.
دماي کارکرد پايين, عملکرد بي سر و صدا و محصولات سالم و غير سمي واکنش از مشخصات پيل هاي سوختي قليايي است. در کاربردهاي نظامي تشخيص اين پيل ها توسط دستگاههاي آشکار ساز اکوستيک و مادون قرمز خيلي مشکل مي شود. باوجود پتانسيل خوب استفاده از اين پيل ها در صنايع نظامي ميزان کمي از موارد استفاده از اين پيل ها در صنايع نظامي گزارش شده است .
مورد جالب ديگر براي استفاده از پيل سوختي قليايي، کاربرد هاي ايستگاهي و قرار گرفتن اين پيل ها در کنار کارخانه جات توليد کلر است. در کارخانه جات توليد کلر، هيدروژن با خلوص خيلي بالا به عنوام محصول جانبي توليد مي شود. اين هيدروژن را مي توان به پيل سوختي قليايي منتقل کرد و از انرژي حاصل براي توليد کلر استفاده کرد. در اين حالت بين 15-20% در مصرف انرژي صرفه جويي مي شود.