moji5
29th October 2009, 05:24 PM
بحران انرژي يکي ازموضوعاتي است كه به شدت مورد توجه جوامع امروزي مي‌باشد. سوخت‌هاي فسيلي که تاکنون تأمين‌كنندة بخش عمده‌اي از انرژي مورد نياز بشر بوده‌اند، منابعي رو به زوال هستند. از طرفي، سيستمهاي مصرف‌کننده اين سوخت‌ها داراي بازدة پاييني مي‌باشند. اين سيستم‌ها علاوه بر اتلاف منابع سوختي، از مهم‌ترين منابع آلوده‌کننده محيط زيست نيز محسوب مي‌شوند. از اين رو، استفاده از انرژي‌هاي نو و سيستمهاي تبديل انرژي با بازده بالا و آلودگي کم، بسيار لازم و ضروري است.
◄ تاريخچه پيدايش پيل سوختي:
تاريخچه پيدايش و تحول پيل سوختي به دو دوره متمايز تقسيم مي‌شود:
دوره صدساله اول که از سال 1839 با ساخت اولين پيل سوختي با الكتروليت اسيد سولفوريك توسط ويليام گرو آغاز گرديد. اين دوره با تلاش دانشمندان بزرگي چون نرنست، هابر، موند و ديگران منجر به درك علمي پيل سوختي و شناخت تنگناهاي اين فن‌آوري تا سال 1940 گرديد.
دوره تحول و گسترش دوم پيل سوختي از سال 1940 شروع و تا به امروز منجر به توسعه فن‌آوري پيل سوختي و كاربرد عملي اين فن‌آوري شده است.
واژه "پيل‌سوختي" در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعي پيل‌سوختي که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف مي‌کرد، ساختند.
فرانسيس بيكن از دانشگاه كمبريج در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني كاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيكل و همچنين استفاده از هيدروكسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريك به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع كه اولين پيل‌سوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد. او 27 سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يك پيل‌سوختي كامل وكارا ارائه نمايد. بيكون در سال 1959 پيل‌سوختي با توان 5 كيلووات را توليد نمود كه مي‌توانست نيروي محركه يك دستگاه جوشكاري را تامين نمايد.
◄ اصول کار پيلهاي سوختي:
پيل سوختي دستگاهي است الکتروشيميائي که انرژي شيميائي حاصل از يک واکنش شيميائي را به انرژي الکتريکي تبديل مي‌نمايد. سوخت مصرفي در پيلهاي سوختي پليمري، هيدروژن است که از منابع مختلفي تأمين مي‌شود. هيدروژن به آند و اکسيژن به کاتد تزريق مي‌شود. مولکولهاي هيدروژن در اثر تماس با کاتاليزورهاي موجود در سطح غشاء، يا در سطح الكترود، به يون هيدروژن تبديل شده و قابليت عبور از الکتروليت، يا غشاء تبادلگر يوني را پيدا مي‌نمايند. الکترونهاي آزاد شده به علت شکسته شدن پيوند مولکول هيدروژن، توسط يک مدار خارجي به کاتد مي‌رسند. سرانجام در کاتد، اکسيژن تزريق شده به سيستم با پروتونهاي انتقال يافته توسط غشاء، توليد آب مي‌نمايند. اکنون با قرار دادن يك موتور الکتريکي، مصرف‌کننده، مي‌توان سيستم پيل سوختي را تکميل نمود.
پيلهاي سوختي مزاياي زيادي دارند كه كم و بيش براي همة انواع آنها صادق است. برخي از اين مزايا عبارتند از:
- بازدهي بالاتر پيلهاي سوختي نسبت به موتورهاي احتراق
- سادگي سيستم پيل سوختي
- آلايندگي کم (تنها ماده حاصل از و اكنش پيل، آب است.)
- آلودگي صوتي كم (پيلهاي سوختي بسيار آرام كار مي‌كنند كه براي سيستمهاي قابل حمل از اهميت زيادي برخوردار است.)
- طول عمر بسيار بالا.
- عدم وجود قطعات و قسمت‌هاي متحرک در سيستم.
http://www.fadak.us/Archive/Chemistry/learn/Image/Archive_0013_1.jpg
شكل(1 ) شماي كلي يک پيل سوختي
استفاده از پيلهاي سوختي در سيستمهاي تركيب‌كننده نيرو و گرما (در اندازه‌هاي كوچك و بزرگ) ميسر است. همچنين از آنها مي‌توان در وسايل نقليه، كامپيوترهاي قابل حمل، گوشي‌هاي تلفن همراه و … استفاده كرد. پيل هاي سوختي را به شكل‌هاي مختلفي دسته بندي مي‌كنند . اين تقسيم بندي‌ها بر اساس نوع الكتروليت، دماي فعاليت پيل ، سوخت ، اكسيدكننده، مبدل سوخت و .... انجام شده است. در رايج‌ترين طبقه‌بندي، انواع پيلهاي سوختي بر مبناي نوع الکتروليت عبارتند از:
1- پيل‌سوختي پليمري Polymer Electrolyte Fuel Cell
2- پيل‌سوختي قليايي Alkaline Fuel Cell
3- پيل‌سوختي اسيدفسفريك Phosphoric acid fuel cell
4- پيل‌سوختي كربنات مذاب Molten carbonate fuel cell
5- پيل‌سوختي‌اكسيدجامد Solid oxide fuel cell
در شکل (2) توزيع کاربرد هريک از انواع پيلهاي سوختي نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده مي‌شود پيلهاي سوختي پليمري بيشترين کاربرد را به خود اختصاص داده‌اند. در اين گزارش نيز بررسي پيلهاي سوختي پليمري مد نظر مي‌باشد.
http://www.fadak.us/Archive/Chemistry/learn/Image/Archive_0013_2.jpg
شکل (2) توزيع کاربرد انواع پيل هاي سوختي.
◄ كاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي:
بازار مولدهاي نيروگاهي پيل‌سوختي بسيار گسترده است و کاربردهاي دولتي، نظامي و صنعتي را شامل می‌شود. همچنين به عنوان نيروي پشتيبان در مواقع اضطراري در مخابرات، صنايع پزشکي، ادارات، بيمارستان‌ها، هتل‌هاي بزرگ و سيستمهاي کامپيوتري به کار می‌رود.
پيلهاي سوختي نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسبند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها می‌توان 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 70-80% می‌رسد.
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 60 توليد گشت، تا کنون در مجموع 650 سيستم کامل با توان بيش از 10 کيلووات (ميانگين آن 200 کيلووات است) ساخته شد. تقريباً 90 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 اينده بازار را به قبضه در خواهد آورد.
در بخش پيلهاي سوختي نيروگاهي کوچک (زير 10 کيلووات) نيز رشد قابل ملاحظه‌اي را شاهد بوديم. تعداد اين واحدها اکنون به 1900 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 20 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 2005 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 5 کيلووات، 15000 دلار)
دولت ژاپن حمايت خود از توسعه پيلهاي سوختي نيروگاهي در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت هاي ژاپني گاز توکيو و Osaca از بزرگترين شرکت هاي توسعه دهنده اين فن‌آوري می‌باشند.
◄ تاريخچه پيدايش پيل سوختي:
تاريخچه پيدايش و تحول پيل سوختي به دو دوره متمايز تقسيم مي‌شود:
دوره صدساله اول که از سال 1839 با ساخت اولين پيل سوختي با الكتروليت اسيد سولفوريك توسط ويليام گرو آغاز گرديد. اين دوره با تلاش دانشمندان بزرگي چون نرنست، هابر، موند و ديگران منجر به درك علمي پيل سوختي و شناخت تنگناهاي اين فن‌آوري تا سال 1940 گرديد.
دوره تحول و گسترش دوم پيل سوختي از سال 1940 شروع و تا به امروز منجر به توسعه فن‌آوري پيل سوختي و كاربرد عملي اين فن‌آوري شده است.
واژه "پيل‌سوختي" در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعي پيل‌سوختي که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف مي‌کرد، ساختند.
فرانسيس بيكن از دانشگاه كمبريج در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني كاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيكل و همچنين استفاده از هيدروكسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريك به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع كه اولين پيل‌سوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد. او 27 سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يك پيل‌سوختي كامل وكارا ارائه نمايد. بيكون در سال 1959 پيل‌سوختي با توان 5 كيلووات را توليد نمود كه مي‌توانست نيروي محركه يك دستگاه جوشكاري را تامين نمايد.
◄ اصول کار پيلهاي سوختي:
پيل سوختي دستگاهي است الکتروشيميائي که انرژي شيميائي حاصل از يک واکنش شيميائي را به انرژي الکتريکي تبديل مي‌نمايد. سوخت مصرفي در پيلهاي سوختي پليمري، هيدروژن است که از منابع مختلفي تأمين مي‌شود. هيدروژن به آند و اکسيژن به کاتد تزريق مي‌شود. مولکولهاي هيدروژن در اثر تماس با کاتاليزورهاي موجود در سطح غشاء، يا در سطح الكترود، به يون هيدروژن تبديل شده و قابليت عبور از الکتروليت، يا غشاء تبادلگر يوني را پيدا مي‌نمايند. الکترونهاي آزاد شده به علت شکسته شدن پيوند مولکول هيدروژن، توسط يک مدار خارجي به کاتد مي‌رسند. سرانجام در کاتد، اکسيژن تزريق شده به سيستم با پروتونهاي انتقال يافته توسط غشاء، توليد آب مي‌نمايند. اکنون با قرار دادن يك موتور الکتريکي، مصرف‌کننده، مي‌توان سيستم پيل سوختي را تکميل نمود.
پيلهاي سوختي مزاياي زيادي دارند كه كم و بيش براي همة انواع آنها صادق است. برخي از اين مزايا عبارتند از:
- بازدهي بالاتر پيلهاي سوختي نسبت به موتورهاي احتراق
- سادگي سيستم پيل سوختي
- آلايندگي کم (تنها ماده حاصل از و اكنش پيل، آب است.)
- آلودگي صوتي كم (پيلهاي سوختي بسيار آرام كار مي‌كنند كه براي سيستمهاي قابل حمل از اهميت زيادي برخوردار است.)
- طول عمر بسيار بالا.
- عدم وجود قطعات و قسمت‌هاي متحرک در سيستم.
http://www.fadak.us/Archive/Chemistry/learn/Image/Archive_0013_1.jpg
شكل(1 ) شماي كلي يک پيل سوختي
استفاده از پيلهاي سوختي در سيستمهاي تركيب‌كننده نيرو و گرما (در اندازه‌هاي كوچك و بزرگ) ميسر است. همچنين از آنها مي‌توان در وسايل نقليه، كامپيوترهاي قابل حمل، گوشي‌هاي تلفن همراه و … استفاده كرد. پيل هاي سوختي را به شكل‌هاي مختلفي دسته بندي مي‌كنند . اين تقسيم بندي‌ها بر اساس نوع الكتروليت، دماي فعاليت پيل ، سوخت ، اكسيدكننده، مبدل سوخت و .... انجام شده است. در رايج‌ترين طبقه‌بندي، انواع پيلهاي سوختي بر مبناي نوع الکتروليت عبارتند از:
1- پيل‌سوختي پليمري Polymer Electrolyte Fuel Cell
2- پيل‌سوختي قليايي Alkaline Fuel Cell
3- پيل‌سوختي اسيدفسفريك Phosphoric acid fuel cell
4- پيل‌سوختي كربنات مذاب Molten carbonate fuel cell
5- پيل‌سوختي‌اكسيدجامد Solid oxide fuel cell
در شکل (2) توزيع کاربرد هريک از انواع پيلهاي سوختي نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده مي‌شود پيلهاي سوختي پليمري بيشترين کاربرد را به خود اختصاص داده‌اند. در اين گزارش نيز بررسي پيلهاي سوختي پليمري مد نظر مي‌باشد.
http://www.fadak.us/Archive/Chemistry/learn/Image/Archive_0013_2.jpg
شکل (2) توزيع کاربرد انواع پيل هاي سوختي.
◄ كاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي:
بازار مولدهاي نيروگاهي پيل‌سوختي بسيار گسترده است و کاربردهاي دولتي، نظامي و صنعتي را شامل می‌شود. همچنين به عنوان نيروي پشتيبان در مواقع اضطراري در مخابرات، صنايع پزشکي، ادارات، بيمارستان‌ها، هتل‌هاي بزرگ و سيستمهاي کامپيوتري به کار می‌رود.
پيلهاي سوختي نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسبند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها می‌توان 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 70-80% می‌رسد.
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 60 توليد گشت، تا کنون در مجموع 650 سيستم کامل با توان بيش از 10 کيلووات (ميانگين آن 200 کيلووات است) ساخته شد. تقريباً 90 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 اينده بازار را به قبضه در خواهد آورد.
در بخش پيلهاي سوختي نيروگاهي کوچک (زير 10 کيلووات) نيز رشد قابل ملاحظه‌اي را شاهد بوديم. تعداد اين واحدها اکنون به 1900 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 20 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 2005 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 5 کيلووات، 15000 دلار)
دولت ژاپن حمايت خود از توسعه پيلهاي سوختي نيروگاهي در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت هاي ژاپني گاز توکيو و Osaca از بزرگترين شرکت هاي توسعه دهنده اين فن‌آوري می‌باشند.