پيل سوختی

[*مینا*]

عصر هيدروژن


از نظر منابع انرژی، بشر تاکنون چهار عصر را پشت‌سر گذاشته است. عصر اول، عصر «زیست‌توده» است که در طی آن، انرژی موردنیاز بشر از طریق سوزاندن شاخ و برگ درختان تأمین می‌شده است. شاخ و برگ درختان در واقع اولين منبع انرژی بود که توسط انسان شناخته شد، منبعی ساده و دردسترس که نام علمی آن «زيست‌توده» است. به نظر شما منبع اصلی انرژی در زيست‌توده چيست؟ گياهان با انجام عمل فتوسنتز انرژی خورشيد را در برگ‌های خود ذخيره می‌کنند. با سوزاندن اين ترکيبات انرژی ذخيره شده در آنها به صورت حرارت آزاد می‌شود. علاوه بر چوب درختان، منابع جنگلی، ضايعات کشاورزی، فاضلاب شهری و فضولات دامی نيز از منابع زيست‌توده به شمار می‌روند. جمع‌آوری زيست‌توده در حجم‌های بالا بسيار هزينه‌بر است. از طرف ديگر، چون منابع زيست‌توده اغلب مرطوب هستند مقدار انرژی توليدی از آنها به ازای واحد حجم پايين است.
با كشف زغال سنگ و خواص احتراقي آن، بهره‌برداري از اين ماده به‌عنوان يك منبع توليد انرژي حرارتي توسعه فراوانی يافت. اين مسئله با اختراع موتورهاي بخار كه تحول عظيمي در صنعت محسوب می‌شوند، شتاب بيشتري گرفت. توسعه شبكه‌هاي راه‌آهن با لوكوموتيوهايي كه از سوخت زغال سنگ استفاده می‌کنند نيز در شكوفايي اين عصر تاثير فراواني داشت. در واقع؛ اين دوره زماني، عصر تأمين انرژي بشر به وسيله زغال سنگ يا عصر زغال سنگ است.
با كشف نفت و شناخت مزاياي آن نسبت به زغال سنگ، به ويژه در حوزه حمل و نقل، به تدريج بهره‌گيري از زغال سنگ کاهش يافت و نفت خام جایگزین آن شد، تا جائي‌كه در فاصله زماني كوتاهي بخش اعظم انرژي مورد نياز بشر از نفت خام و مشتقات آن تأمين مي‌گرديد. بر مبناي اين روند سريع بود كه نفت خام به عنوان مهمترين ماده تأمين كننده انرژي بشر شناخته شد و اين دوره زماني را بايد بدون ترديد عصر نفت نام نهاد. اما در اثر احتراق نفت، گاز دی اکسيد کربن توليد می‌شود که يک گاز گلخانه‌ای بوده و سبب آب شدن یخ‌ها و در نهایت، گرم شدن هوا خواهد شد. از این رو، گاز طبیعی به سبب ارزان و در دسترس بودن و هم‌چنین کاهش آلودگی زیست‌محیطی، در کنار نفت به عنوان منبع دیگری برای تولید انرژی مورد استفاده قرار گرفت.
امروزه، به علت نگراني‌های مربوط به گرم شدن هوا، رشد جمعيت، پيشرفت فناوری و همچنين، کاهش سريع منابع نفتی جهان، استفاده از منابع جديد انرژی مورد توجه قرار گرفته است. از جمله موادی که می‌تواند جايگزين مناسبی برای سوخت‌های فسيلی باشد، هيدروژن است و وسيله‌ای که با استفاده از آن می‌توان از هيدروژن انرژی گرفت، «پيل سوختی» نام دارد. با توجه به مزيت‌هايی که هيدروژن نسبت به سوخت‌های ديگر دارد، شايد بتوان ادعا کرد که «عصر آينده، عصر هيدروژن خواهد بود».





http://www.nanoclub.ir/contents/full%20cell-01/Picture1.png



معرفی هيدروژن
شايد بزرگترين ویژگی هيدروژن، فراوانی این عنصر در طبیعت باشد. حتماً تعجب خواهيد کرد اگر بدانيد که بنا بر برآوردهاي انجام شده، حدود 90 درصد از اتم‌ها و نيز حدود 70 درصد از جرم کل هستی را هيدروژن تشکيل داده است. اين ماده در تمام ستاره‌ها وجود دارد و منبع اصلی تهيه انرژی ستاره‌ها به واسطه واکنش‌های هسته‌ای است.





http://www.nanoclub.ir/contents/full%20cell-01/Hydrogen-1.JPG




مزايای استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت


حداقل آلودگی محيط زيستی
در نتیجه‌ی سوختن مستقيم هيدروژن با اکسيژن هوا و يا واکنش الکتروشيميايی غيرمستقيم هيدروژن با اکسيژن هوا، آب توليد می‌شود و بر خلاف سوخت‌های فسیلی، گازهايی مانند دی‌اکسيد کربن، منوکسيد کربن، گوگرد و ذرات نسوخته هيدروکربنی به وجود نمی‌آيد.
امکان توليد از منابع فسيلي و پاك
همان‌طور که اشاره شد، هيدروژن به صورت خالص وجود ندارد اما می‌توان آن را از منابع مختلف مانند زغال سنگ، گاز طبيعی، زيست توده و آب تهيه کرد. اين روش‌ها به صورت جزئی در مقالات بعدی بررسی می‌شوند.
قابليت سوختن در موتورهاي احتراقی
می‌توان هيدروژن را به عنوان سوخت در خودروها به کار برد. استفاده از پيل سوختی از سوی خودروسازان به صورت آزمايشی آغاز شده است، البته در آمريکا استفاده از آن گستردگی بيشتری دارد. خودروهای پيل سوختی در واحد پيل خود از واکنش هيدروژن و اکسيژن، برق توليد می‌کنند و از برق توليدی نيز برای به حرکت در آوردن چهار الکتروموتور استفاده می‌شود که خروجی سيستم نيز تنها آب است. در بعضی موارد، نيروی محرکه خودرو از يک باتری يون ليتيوم تامين می‌شود که شارژ آن توسط مولد پيل سوختی انجام می‌شود.
هيدروژن به راحتی به وسيله خط لوله انتقال داده می‌شود.
هيدروژن داراي بالاترين ظرفيت انرژي به ازاي هر واحد وزن سوخت مي‎باشد. يعنی ميزان حرارت توليد شده از آن در اثر احتراق در واحد وزن بيشتر از هر سوخت ديگري است.
هيدروژن فراوان بوده و تجديد پذير است.

منابع توليد هيدروژن
گاز هيدروژن را می‌توان هم از منابع اوليه تجديدپذير مانند زيست‌توده و هم از منابع تجديدناپذير مانند گاز طبيعی، نفت و زغال سنگ توليد کرد. امروزه توليد گاز هيدروژن از منابع تجديدپذير به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را مي‌پيمايد. اين در حالي است که توليد گاز هيدروژن از منابع تجديدناپذير به ويژه منابع فسيلي به علت محدود بودن اين منابع روز به روز کاهش مي‌يابد.
آنچه گفته شده شايد بتواند اهميت و چرايي استفاده از هيدروژن را به عنوان سوخت مشخص کند. در بخش‌های بعدی اين مقاله به معرفی پيل سوختی (به عنوان وسيله توليد انرژی از هيدروژن) و نقش فناوری نانو در دستيابی به اين وسيله پرداخته خواهد شد.



منبع : باشگاه نانو

[*مینا*]

پيل سوختی چيست و چگونه کار می کند؟



در مقاله قبل گفته شد که هيدروژن با داشتن مزایای متعدد مي‌تواند به عنوان جایگزینی مناسب براي سوخت‌هاي معمول به کار رود. در اين مقاله به معرفي ساختمان پيل‌هاي سوختي و انواع آنها پرداخته مي‌شود.


پيل سوختی1 چيست؟

پيل سوختي وسيله‌اي است که انرژي شيميايي سوخت را مستقيماً به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند. عملکرد پيل سوختي مانند باتري نيست که انرژي را ذخيره کند بلکه پيل سوختي حالتي از انرژي به حالت ديگر تبديل مي‌کند، به طوري که در اين تبديل مواد داخل پيل مصرف نمي‌شوند . گاز هيدروژن به دليل تمايل واكنش دهندگي بالا، فراوانی و عدم آلايندگی محيط زيست، به عنوان سوخت ايده‌آل در پيل‌سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.


ساختمان پیل سوختی

هر پيل سوختي از سه جزء اصلي تشکيل شده‌است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشا. گاز هيدروژن که به عنوان سوخت به کار می‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش مي‌یابد. طي اين واکنش يون هيدروژن مثبت و الکترون توليد مي‌شوند. يون‌هاي هيدروژن به همراه الکترون‌ها از کاتد به آند انتقال می‌یابند. انتقال یون‌های هیدروژن از طریق الکترولیت و انتقال الکترون از طریق یک مدار خارجی صورت می‌گیرد. اکسیژن موجود در کاتد با الکترون‌ها و یون‌های هیدورژن واکنش داده، آب تولید می‌کند. شکل 1 شمایی کلی از یک پیل سوختی را نشان می‌دهد.

واکنش در آند http://www.nanoclub.ir/fckeditor/editor/plugins/fckeditor_wiris/integration/showimage.php?formula=b09ecafc40951ef9e162fed5434c 2bf6.png
واکنش در کاتد http://www.nanoclub.ir/fckeditor/editor/plugins/fckeditor_wiris/integration/showimage.php?formula=01a6b57d65b6cc0d7f001493579f cdc1.png
واکنش کلی http://www.nanoclub.ir/fckeditor/editor/plugins/fckeditor_wiris/integration/showimage.php?formula=01a6b57d65b6cc0d7f001493579f cdc1.png





http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-1.jpg

تصوير 1- شمای کلی از يک پيل سوختی
واکنش‌های اکسایش-کاهش:
اصطلاح اکسایش، پیش‌تر برای واکنش‌های ترکیب مواد با اکسیژن به کار می‌رفت و کاهش به عنوان برداشتن اکسیژن از یک ترکیب اکسیژن‌دار، تعریف می‌شد. اما امروزه اکسایش و کاهش بر اساس تغییر عدد اکسایش تعریف می‌شود. اکسایش فرایندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم افزایش می‌یابد و کاهش، فرایندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم کم می‌شود.


انواع پيل‌هاي سوختي

پيل‌هاي سوختي را به طور معمول، بر اساس نوع الکتروليتي که در آن به کار می‌رود، به پنج دسته طبقه‌بندي مي‌کنند:


پيل‌هاي سوختي قليايي
پیل‌های سوختی كربنات مذاب
پیل‌های سوختی اسيد فسفريك
پیل‌های سوختی اكسيد جامد
پیل‌های سوختی پليمري

از نگاهی دیگر، طبقه‌بندی پيل‌هاي سوختي بر اساس دمايي است که پيل سوختي در آن کار مي‌کند. بر اين اساس پيل‌هاي سوختي به دو دسته کلي پيل سوختي دما بالا و پيل سوختي دما پايين تقسيم‌بندي مي‌شوند. در جدول 1 دمايي که انواع پيل‌هاي سوختي در آن کار مي‌کنند، به همراه نوع الکتروليت و نام اختصاري آنها نشان داده شده است.
نوع پيل سوختی نام اختصاری الکتروليت دمای کارکرد (C°)
پيل سوختي پليمري PEM2 نفيون (نوعي پليمر) 80-100 100 -80 پيل سوختي قليايي AFC3 پتاس 80-100 پيل سوختي اسيد فسفريك PAFC4 اسيد فسفريک 200-220 پيل سوختي كربنات مذاب MCFC5 نمک کربنات مذاب 650 پيل سوختي اكسيدجامد SOFC6 YSZ ( نوعي سراميک) 1000

مزايا و معایب پيل‌های سوختي



مزایای پیل‌های سوختی
- داشتن بازدهی بالا نسبت به وسايلی که از سوخت‌هاي شيميايی معمول نظير نفت و بنزين استفاده می‌کنند.
- سازگاری با محیط زیست؛ چون تنها محصول جانبی ایجاد شده در پیل‌های سوختی آب می‌باشد.
- عدم آلودگی صوتی؛ از آن‌جایی‌که در پیل‌های سوختی اجزای متحرک وجود ندارد، این وسیله بسیار بی‌صدا و آرام است.
- هزینه نصب کم و راه‌اندازی آسان
معایب پیل‌های سوختی
- ناشناخته بودن فناوري پيل‌هاي سوختي در جهان
- گران بودن؛ از آنجايي که هنوز خطوط توليد پيل‌هاي سوختي وجود ندارد، توليد انبوه آنها بسيار گران است. علاوه براين، در ساخت اين وسايل از برخي مواد گران قيمت (مانند کاتاليزورها) نيز استفاده می‌شود.



زمينه‌هاي مختلف استفاده از پيل‌های سوختي:

از پيل‌سوختي مي‌توان در زمينه‌هاي مختلفي براي توليد انرژي استفاده کرد، که معمول‌ترین آنها عبارتند از:


حمل ونقل (خودروهاي سواري و وسايط نقليه عمومي): امروزه همه توليد‌کنندگان عمده خودرو بر روي توليد تجاري خودروهاي پيل سوختي سرمايه‌گذاري کرده‌اند. پيل‌هاي سوختي مي‌توانند به عنوان مولد انرژي در اتوبوس‌ها، قايق‌ها، هواپيماها و حتي دوچرخه‌ها نيز استفاده شوند (شکل 2).



http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-2.jpghttp://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-3.jpg

تصوير 2- پيل‌های سوختی می توانند در انواع وسايل نقليه استفاده شوند. پيل سوختی می‌تواند در قسمت عقب يا جلوی وسيله نقليه قرار داده شود.


نيروگاه‌ها (نيروگاه‌هاي متمركز و غيرمتمركز اعم از خانگي، تجاري، صنعتي): پيل‌هاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسب‌اند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي و ...): باتري‌ها براي بسياري از وسايل قابل حمل مانند کامپيوترهاي کيفي و تلفن‌هاي همراه نامناسب‌اند. باتري‌ها پرهزينه، سنگين و مزاحم هستند و اغلب در بدترين مواقع به شارژ نياز دارند. پيشرفت‌هاي اخير در فن‌آوري پيل سوختي ممکن است به حل اين مشکل بينجامد. چند گروه پژوهشي در حال ابداع «ريز پيلهاي سوختي» هستند که به تلفن‌هاي همراه امکان مي‌دهد در حالت آماده براي هفته‌ها کار کنند(شکل 3).




http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-4.jpghttp://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-02/fuelcell-5.jpg



تصوير 3- پيل های سوختی می‌توانند برای شارژ کردن انواع وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي) استفاده شوند.


صنايع نظامي: پيل‌هاي سوختي که در دماي پايين کار مي‌کنند در تانك‌ها، زره‌پوش و خودروهاي نظامي استفاده مي‌شوند. چون در اين دسته از پيل‌هاي سوختي هيچ قطعه متحرکي وجود ندارد پس كم صدا بوده و از آنجايي که درجه حرارت پايين نيز کار مي‌کنند رديابي اين خودروها نسبت به خودروهاي با موتور درون‌سوز مشكل‌تر خواهد بود. پيل‌هاي سوختي پليمري که در دماي پايين کار مي کند، بيشتر در خودرو و وسايل قابل حمل کاربرد دارد. پيل سوختي اکسيد جامد که در دماهاي بالاتر به کار مي افتد، در نيروگاه‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد



کاتاليزور و نقش آن در پيل سوختي

واکنش‌هايي که در پيل سوختي اتفاق مي‌افتند، از دسته واکنش‌هاي اکسايش و احيا هستند و سرعت انجام آنها آهسته مي‌باشد. بنابراين در پيل‌هاي سوختي که در دماي کم کار مي‌کنند، مانند پيل سوختي پليمري، براي بالا بردن بازده پيل سوختي بايد از کاتاليزور استفاده کرد.
کاتالیزور:
کاتالیزور ماده‌ای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را زیاد می‌کند، بدون این‌که خود در جریان واکنش مصرف شود. از این رو؛ کاتالیزور را می‌تون بدون تغییر، در پایان واکنش بازیابی کرد.
برای افزايش سرعت واکنش پيل‌های سوختی، بايد در آند و کاتد از کاتاليزور استفاده کرد. انتخاب کاتاليزور مسئله مهمی است و از هر ماده‌ای نمی‌توان به عنوان کاتاليزور استفاده نمود. کاتاليزوري که واکنش‌هاي پيل سوختي را سرعت مي‌دهد فلز پلاتين است. وقتی هيدروژن به آند وارد می‌شود به کاتاليزور پلاتين می‌رسد و در تماس با آن راحت‌تر اکسيد می‌شود. در کاتد نيز گاز اکسيژن بعد از ورود، به کاتاليزور برخورد می‌کند و واکنش کاتدی نيز در حضور پلاتين تسريع می‌شود.
شايد بدانيد که فلز پلاتين بسيار گران‌قيمت مي‌باشد و همين مسئله سبب افزایش قيمت يک پيل سوختي پليمري خواهد شد. همين قيمت بالاي پيل سوختي باعث شده است که علي‌رغم تمام مزيت‌هاي پيل سوختي پليمري، هنوز محصولاتي که با اين فناوري کار مي‌کنند به صورت تجاري مورد استفاده قرار نگیرند. براي استفاده از پيل سوختي پليمري بايد قیمت آن را کاهش داد. چگونه؟
فناوري‌نانو با ارائه‌ی پيشنهادهايي دراین زمینه، شايد بتواند مشکل را حل کند. در صورتی‌که مي‌خواهيد بدانید فناوری نانو چگونه این مشکل را رفع می‌کند تا مقاله‌ی بعدی اندکی صبر کنید.


note:
1- Fuell Cell
2- Polymer Electrolyte Membrane
3- Alkaline Fuel Cells
4- Phosphoric Acid Fuel Cells
5- Molten Carbonate Fuel Cells
6- Solid Oxide Fuel Cells


منبع : باشگاه نانو

[*مینا*]

فناوری‌‌نانو به کمک پيل‌های سوختی می‌آيد


در مقاله قبل گفته شد که پيل سوختی پليمری از جمله مهمترين انواع پيل‌های سوختی است که برای بالا بردن بازده آن، از کاتاليزور گران‌قيمت پلاتين استفاده می‌شود. اشاره شد که اين مسئله باعث بالا رفتن قيمت پيل‌های پليمری می‌گردد. در اين مقاله می‌خواهيم به بررسی نقش فناوری‌نانو در پيل‌های سوختی پليمری بپردازيم. مرز سه فازی
در الکترودهای پيل سوختی پليمری از کاتاليزور پلاتين استفاده می‌شود. آرايش اجزاء در اين پيل به نحوی است که الکتروليت يا غشا بين دو الکترود قرار می‌گيرد (شکل‌های 1 و 2 را ببينيد).





http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-03/Picture1.jpg
شکل 1. نمايی از اجزاء پيل سوختی



http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-03/Picture2.jpg
شکل 2. نمايی کلی از پيل سوختی


کاتاليزور پلاتين تنها در نقاطی که در تماس با الکترود و الکتروليت باشد، می‌تواند واکنش‌های پيل سوختی را کاتاليز يا تسريع نمايد. به اين نقاط «مرز سه فازی» می‌گويند (شکل 3).



http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-03/Picture3.jpg
شکل 3. مرز سه فازی در پیل‌های سوختی




در گذشته الکترود پيل سوختی پليمری، از پلاتين ساخته می‌شد. اما امروزه به دو علت اين کار انجام نمی‌شود:
يک: در نتيجه‌ی ساخت اين الکترودها، مقدار زيادی پلاتين، مصرف شده و قيمت پيل سوختی پليمری بسيار گران می‌شد.
دو: تعداد مولکول‌هاي پلاتينی که می‌توانند روی سطح قرار گيرند و با الکتروليت در تماس باشند (يعنی در مرز سه فازی قرار گيرند) بسيار کمتر از کل مولکول‌های پلاتين است. اين يعنی اينکه بيشتر مولکول‌های پلاتين نمی‌توانند نقش کاتاليزوری داشته باشند و در واقع، مولکول‌هاي پلاتينی که روی سطح قرار ندارند به هدر می‌روند. به بيانی ديگر چون تعداد مولکول‌های پلاتين در مرز سه فازی کم بود، بازده پيل سوختی هم پايين بود.
بنابراين، برای حل اين مشکل بايد دو مسئله رفع می‌شد:
1) مقدار پلاتين مصرفی در ساخت پيل سوختی کاهش می يافت.
2) سطح بيشتری از مولکول‌های پلاتين در دسترس قرار می‌گرفتند.
راه حل
يک راه برای رفع مشکلات مذکور اين بود که پلاتين را بر روی ماده‌ای که سطح زيادی دارد پخش کنند. اين ماده که بستر نام گرفت علاوه بر داشتن سطح زياد، بايستی رسانا هم می‌بود. امروزه از انواع مختلف کربن به عنوان بستر پيل‌های سوختی پليمری استفاده می‌شود. علت اصلی انتخاب کربن به عنوان بستر، ويژگی‌های بی‌نظير اين ماده است که از آن جمله می‌توان به موارد زير اشاره کرد:
1. قيمت ارزان
2. هدايت الکتريکی بالا
3. مقاومت زياد در برابر خوردگی
4. پايداری خوب شيميايی
نقش بستر چيست؟
با پخش کردن پلاتين بر روی کربن، اندازه ذرات پلاتين به حدود 2 نانومتر يا کمتر میرسد. همان‌طور که می‌دانيم وقتی ذرات به ابعاد نانومتری برسند، سطح تماس‌شان به طور چشم‌گيری افزايش می‌يابد، در نتيجه با توزيع پلاتين بر روی يک بستر کربنی، می‌توان با مقدار بسيار کمتر پلاتين به سطح تماس زيادتری دست پيدا کرد. با اين کار هم مقدار استفاده از پلاتين کم می‌شود و هم سطح پلاتين بيشتری در دسترس خواهد بود. علاوه بر اين به علت واکنش‌هاي بين پلاتين و بستر، امکان دارد ساختار الکترونيکي اتم‌هاي پلاتين بهبود يابد که اين امر باعث افزايش جزئي فعاليت کاتاليزوري مي‌شود. به علاوه، اين برهمکنش‌ها، موجب مي‌گردد که ذرات پلاتين بر روي بستر گير کنند، بنابراين ذرات پلاتين ديرتر کلوخه می‌شوند. کلوخه شدن ذرات پلاتين باعث کاهش سطح تماس آنها می‌شود.
دستاوردهای فناوری‌نانو
با استفاده ار فناوری‌نانو می‌توان الکترودهايی سبک، نازک و ارزان قيمت تهيه کرد که نسبت به الکترودهای معمولی بازده بهتری دارند. در اين زمينه می‌توان از نانوفيبرهای‌کربنی، نانولوله‌های‌کربنی يا ترکيباتی که دارای حفره‌هايی با اندازه نانومتری دارند استفاده کرد (شکل 4). در اين ميان نانولوله‌های کربنی بيش از سايرين مورد توجه واقع شده‌اند.



http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-03/Picture4.jpghttp://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-03/Picture5.jpg
شکل 4. توزيع پلاتين بر روی نانو فيبرهای‌کربنی.


نانولوله‌های کربنی شکل جديد از کربن هستند که می‌توانند تک‌ديواره و يا چندديواره باشند. اين مواد دارای خواص جالبی (نسبت طول به عرض بالا، مقاومت زياد در برابر خوردگی، هدايت الکتريکی خوب و ...) هستند. (برای مطالعه بيشتر به مقالات مرتبط به نانولوله‌های کربنی در سايت مراجعه کنيد.) به علت همين ويژگي‌های منحصر به فرد نانولوله‌های کربنی، امروزه آنها گزينه‌ای مناسب برای بستر پلاتين در پيل‌های سوختی پليمری به شمار می‌روند. شکل 5 نانولوله‌های کربنی را نشان داده می‌دهد که پلاتين بر روی آنها قرار گرفته است. همان‌طور که در شکل ديده می‌شود با قرار دادن پلاتين بر روی کربن، ذرات پلاتين کوچک شده‌اند.





http://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-03/Picture6.jpghttp://www.nanoclub.ir/contents/fuel%20cell-03/Picture7.jpg
شکل 5. توزيع پلاتين بر روی نانولوله‌های‌کربنی


به کمک نانولوله‌های‌کربنی می‌توان با استفاده از مقدار کمتری از پلاتين به سطح تماس زيادی دست پيداکرد. در اين صورت مقدار مصرف پلاتين و قيمت پيل سوختی کمتر می‌شود.
نتيجه‌گيری
با توجه به مطالبی که در اين سه مقاله گفته شد، هيدروژن می‌تواند به عنوان سوختی جايگزين در آينده در نظر گرفته شود. ابزار اين کار پيل‌های سوختی است و ازاين‌رو توسعه اين دستگاه‌ها به عنوان وسيله توليد الکتريسيته اهميت زيادی دارد. برای تجاری سازی پيل‌های سوختی بايد تلاش کرد تا قيمت آنها را پايين آورد. در اين زمينه فناوری‌نانو می‌تواند نقش مهمی داشته باشد و به توليد پيل‌های سوختی با قيمت کمتر و بازده بيشتر کمک کند. نانوفيبرهای‌کربنی، نانولوله‌های‌کربنی يا ترکيباتی که دارای حفره‌هايی با اندازه نانومتری دارند، پيشنهادهای فناوری‌نانو برای بهبود عملکرد پيل‌های سوختی هستند.

[*sabrina*]

[/URL]

پيل سوختي چيست؟
پيل سوختي يك سيستم الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي سوخت - عموما" هيدروژن (و يا متانول) و هوا را به طور مستقيم به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند. اين مولد انرژي داراي بازده بالايي است. بازده بالاي اين سيستم منتج از دوري جستن از چرخه كارنو است. در پيل سوختي هيدروژن در قسمت آند اكسيد شده و به پروتون و الكترون تقسيم مي‌شود. الكترون توليدي جريان الكتريسيته را موجب مي‌گردد. پروتون با عبور از غشاء تبادل يون به سمت كاتد رفته و در حضور كاتاليزور با اكسيژن هوا و الكترون بازگشتي از پيل به آب تبديل مي‌شود و بدينترتيب هيچ آلودگي به وجود نمي‌آيد. اين واكنش در دماي 80 درجه سانتیگراد (در پيل سوختي دماي پايين PEMFC) انجام مي‌پذيرد. واكنش‌هاي صورت گرفته در آند، كاتد و ماحصل نهايي بصورت زير است:
H2 http://www.ripi.ir/lang/images/stories//image002.gif2H+ + 2e -
O2 + 4H+ + 4e -http://www.ripi.ir/lang/images/stories//image002.gif2H2O
2H2 + O2 http://www.ripi.ir/lang/images/stories//image002.gif2H2O
مزاياي پيل سوختي
- عدم آلودگي هوا
- آلودگي صوتي ناچيز
- بازده سوخت بالا، براي مثال بازده پيل سوختي (از چاه نفت تا چرخ خودرو) برابر 45-30% و در مقايسه با بازده كمتر از 17% براي موتورهاي احتراق داخلي بيانگر افزايشي بيش از 100% بازده در اين نوع سيستم‌ها است. (تصوير1)
- طول عمر بالا (بدليل نبود قطعات و قسمت هاي متحرك در سيستم )
- قابل رقابت از جنبه قيمت و هزينه ها در توليد انبوه
- امكان حصول و بومي كردن تكنولوژي در ايران
- امكان استفاده از منابع تجديدپذير (آّب، باد، خورشيد و زمين گرمايي) جهت توليد هيدروژن و يا متانول مورد نياز پيل سوختي

http://www.ripi.ir/lang/images/stories/fuelcell1.jpg
تصوير 1: مقايسه توليد انرژي از طريق چرخه كارنو با پيل سوختي
انواع پيل سوختي
درسال 1889 لودويك مند (L.Mond) و چارلز لنجر (C.Langer) توانستند يك نوع پيل سوختي كه هوا و سوخت ذغال سنگ را مصرف مي‌كرد بسازند. در سال 1932 مهندس فرانسيس بيكن (F.Bacon) براي ساخت پيل سوختي فعاليت خويش را آغاز كرد و در اواسط دهه پنجاه موفق به ساخت پيل سوختي آلكالين 50KW شد.
انواع پيل سوختي، نوع الكتروليت، دما و طرز عملكرد آن در شكل 2 به تصوير كشيده شده و در جدول 1 آورده شده است. در ميان انواع پيل سوختي، پيل سوختي پليمري (PEM) به دليل دارا بودن چگالي قدرت بسيارخوب، قابليت شروع به كار سريع و عملكرد در دمای 100- 80 درجه سانتیگراد براي استفاده در صنايع خودرو سازي، نيروگاهي، مولد انرژي قابل حمل و كاربردهاي نظامي رايج ترين نوع است .

http://www.ripi.ir/lang/images/stories//fuelcell2.jpg
تصوير2: انواع پيل هاي سوختي

جدول 1: انواع پیل های سوختی

http://www.ripi.ir/lang/images/stories//fuelcell3.jpg
انواع سوخت مورد استفاده در پيل سوختي
هيدروژن به صورت طبيعي و خالص در طبيعت وجود ندارد به ناچار مجبور به استفاده از سوخت‌هايي هستيم كه در دسترس و ارزان هستند. در اينجا به بررسي سوختهاي اوليه مي‌پردازيم كه مي‌توانند به عنوان منبع تهيه هيدروژن مورد استفاده قرار گيرند.
در مولدهاي ثابت و نيروگاههاي پيل سوختي بهتر است كه تبديل سوخت در كنار پيل سوختي انجام شود در اين حالت مي‌توان از گرماي توليدي حاصل از واكنش الكتروشيميايي پيل سوختي در دستگاه مبدل سوخت استفاده كنيم و در اين حالت مشكلات ذخيره سازي و انتقال و به كار گيري هيدروژن به صورت خالص را نخواهيم داشت.

سوختهاي فسيلي:

1- نفت خام
نفت خام مخلوطي از گازها و مايعات و جامدات بر پايه هيدروكربنها است كه به صورت خام در اكثر نقاط كره زمين قابل دسترسي است.
نفت خام به تنهايي داراي ارزش نسبتأ كمي است ولي با تبديل آن به محصولاتي نظير مايعات و محصولات پتروشيمي و سوختهاي ديگر، محصولات با ارزشي توليد خواهد شد. هر برش از نفت خام محتوي اجزاي مختلف شيميايي است كه پارافين ها يا آلكن ها، مونوسيكليك ها و پلي سيكليكهاي پارافيني(نفتا) و هيدروكربن هاي آروماتيك تك هسته اي و چند هسته اي را مي توانيم نام ببريم.

2- زغال سنگ و گاز ذغال سنگ
ذغال سنگ فراوانترين سوخت فسيلي است ولي از نظر ساختار شيميايي بسيار پيچيده است اين سوخت نيز از فشرده شدن باقيمانده گياهان و گذشت زمان بوجود آمده است. از سوزاندن ذغال سنگ مايع و گاز كك حاصل مي شود كه اين مواد بستگي زيادي به ماده اوليه ذغال سنگ، دما و فشار واكنش و مقادير نسبي از بخار و اكسيژن تزريق شده به داخل رآكتور دارند.
در كارخانجات بزرگ پروسس، ذغال سنگ به همراه بخار و اكسيژن (يا هوا) در دماي بالاتر قرار گرفته و محصول در اين حالت گاز خواهد بود كه به همراه گاز مقاديري از محصول مايع و جامد حاصل از واكنش نيز توليد خواهد شد. روش هاي متفاوتي جهت استحصال گاز ذغال سنگ وجود دارد كه اين روشها به سه مجموعه كلي زير تقسيم مي شوند:
1- بستر متحرك
2- بستر سيال
3- روش(Entrained bed)
در هر سه مورد فوق بخار و هوا يا اكسيژن به ذغال در حال اكسيد شدن اضافه مي شود.
در روش بستر متحرك واكنشگرها در دماي نسبتأ پايين ( 650- 450 )�C محصولات متان واتان را به همراه مايعات هيدروكربني نظير نفتا- قطران و روغنهاي هيدروكربني و فنليك ها توليد مي كند.
در روش(Entrained bed) واكنش توليد گاز در دماي بالا( 1200 �C)انجام شده در اين صورت در صد بالاتري از محصولات گازي توليد شده و ميزان كم تري از هيدروكربن هاي مايع توليد مي شود. محصولات گازي توليدي شامل هيدروژن، مونوكسيد كربن و دي اكسيد كربن است.
در روش بستر سيال دماي راكتور(1050-�C 925) است. محصولات گازي توليد شده در اين راكتور حد واسط دو روش فوق است.

3- گاز طبيعي
گاز طبيعي اغلب در نزديكي مخازن زير زميني نفت خام قرار گرفته ولي به تنهايي نيز در نقاط مختلف زمين يافت مي شود. اتان و پروتان با تركيب درصد بسيار كم تر در گاز طبيعي وجود دارند. گاز طبيعي بر اساس ميزان H2S موجود در گاز به دو نوع گاز ترش (در صد قابل توجه H2S) وگاز شيرين (درصد كم از H2S) طبقه بندي مي شود.
جدول 2 نشان دهنده تركيب در صد اجزاي مختلف گاز طبيعي در نقاط مختلف كره زمين است. قبل از اينكه گاز طبيعي به سيستمهاي انتقال گاز وارد شود از تركيبات گوگرد و اجزايي با وزن مولكولي بالا , نيتروژن , گازهاي اسيدي و مايعات هيدروكربني وآب از گاز جدا مي شود.


جدول 2 : تركيب درصد اجزاي مختلف گاز طبيعي در نقاط مختلف كره زمين
http://www.ripi.ir/lang/images/stories//fuelcell4.jpg
4- سوختهاي منشاء زيستي (Biofuel)
بيومس(Bio-mass) و بيومتر(Bio-matter) مفهوم عام مواد آلي هستند كه از ارگانيسم هاي زنده گرفته
شده كه شامل گياهان دريايي وزميني وهم چنين حيوانات و باقيمانده موجودات زنده مي شوند. تخمين زده مي شود كه حدود 150 گيگاتن از سبزيجات و گياهان بيو در هر سال توليد مي شود.
با توجه به محتوي انرژي بالاي مواد بيومس، اين مواد را مي توان جزو منابع مهم انرژي هاي تجديدپذير دانست. انرژي اين مواد از چند روش قابل استحصال است.
- سوختن مستقيم
- تبديل به بيو گاز توسط پيروليز
- تبديل به اتانول توسط تخمير
- تبديل شدن به متانول يا آمونياك
- تبديل شدن به هيدروكربنهاي مايع
منبع ديگر سوختهاي بيو(Bio-Fuel) زباله هاي شهري است. 5- توليد هيدروژن از انرژي خورشيدي ، آب و باد
از آنجائيكه هيدروژن براي حمل ونقل و انبار سازي دراز مدت با چگالي اي بيش از چگالي گاز در حالت مايع قابل استفاده است، مي تواند اتكاي بشر به سوخت هاي فسيلي را جايگزين نمايد. هيدروژن را مي توان از سيستم هاي فوتوالكتروشيميائي كه هيدروژن و اكسيژن را مستقيمأ از آب توليد مي كنند، بدست آورد. يكي از موفقيت هاي جديد در اين زمينه به توجه ويژه اي نياز دارد زيرا كه نقش كلروفيل در فوتوسنتز را با كمك ذرات دي اكسيدتيتانيوم روكش شده با رنگ هايي با پايه روتينيم را كه در برابر فوتوسنتز حساس مي باشد، تقليد مي كند.
بهر حال، در اين مورد و ساير تحقيقات فوتوالكتروشيميائي جاري هنوز نياز به پيشرفت بسيار زيادتري احساس مي شود تا كارآ ئي مكانيزم ها افزايش پيدا كند و مسئله خرابي و تجزيه را كه هنوز در فصل مشترك جامد مايع مزاحمت ايجاد مي كند، حل كند. الكتروليز آب با كمك انرژي برق بطور كامل آزمايش شده است و ساده ترين روش براي بدست آوردن هيدروژن است.
مي توان تصور كرد كه كشورهاي نيمكره شمالي امكانات بالقوه انرژي خورشيدي ملي خود را نسبتا زودتر ازكشورهاي جنوب بكار بگيرند و پس از آن زمان مايل به وارد كردن انرژي هاي تجديدپذير باشند. احتمالا ساده ترين راه واردات انرژي هاي تجديدپذير همين هيدروژن خورشيدي است. در اين سيستم كه يك پروژه مشترك آلماني و كانادائي است، الكتروليز آب بوسيله هيدروالكتريسيته انجام مي گيرد. هيدروژن توليد شده در كانادا با كشتي به اروپا حمل مي شود و در اروپا ذخيره شده و به طرق مختلف به مصرف مي رسد. در حال حاضر تنها سازمانهاي هوا فضائي هستند كه از انرژي ذخيره شده در هيدروژن استفاده مي كنند.
دو مشكل اصلي كه بر سرراه استفاده از انرژي باد موجود است عبارتند از:
<LI dir=rtl>به علت نامنظم و غيردائمي بودن وزش باد بايد انرژي به دست آمده را به طريقي ذخيره نمود.
انرژي موجود باد بسيار پراكنده است به طوري كه وسعت زمين لازم برابر بدست آوردن انرژي از باد پنج برابر وسعت زمين لازم براي بدست آوردن همان مقدار انرژي از خورشيد به وسيله سلول هاي خورشيدي مي باشد.
يعني مواقعي كه باد نمي وزد و يا سرعت آن كم است نبايد در توليد جريان برق و ولتاژ آن اختلالي پيش بيايد و لذا بدين منظور بايد يك منبع ذخيره برق به صورت باطري هاي متعدد موجود باشد ابتدا جريان برق توليد شده توسط ژنراتور بادي آن را شارژ نموده و سپس اين منبع جريان مستقيم به وسيله دستگاهي به جريان متناوب با ولتاژ جريان و فركانس منظم تبديل شود و مورد استفاده قرار بگيرد.
برخي از ويژگي هاي انرژي هاي تجديد پذير (نوين):
- اين انرژي ها بطور وسيع توزيع شده و نسبتاً پراكنده هستند.
- از نظر تجاري هنوز بطور جزئي توسعه يافته اند. مصرف كنندگان چنين انرژي هايي با شرايط متفاوتي روبرو هستند.
- اين منابع اساساً نامحدود هستند لكن با درك موجود، گران و غيرقابل اعتماد تلقي مي شوند.
- اغلب آنها از نظر زيست محيطي بي خطر بوده يا مي توانند بي خطر باشند.

منبع: [U]www.ripi.ir (http://www.ripi.ir)

[*sabrina*]

پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریسیته‌است (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%D8%B3%DB%8C%D 8%AA%D9%87). این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از بازدهی بالایی برخوردار است. در واقع می‌توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9% 88%D9%84%DB%8C%D8%B2&action=edit&redlink=1) آب استفاده می‌گردد. یعن از واکنش بین ئیدروژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A6%DB%8C%D8%AF%D8%B1%D9%88%DA%98%D9%86) و اکسیژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%DA%98%D9%86)، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌گردد. هر سلول در پیلهای سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت تشکیل شده‌است.


مقدمه
پیل‎‎‎‎‎‎‎‎‎های سوختی فن‎آوری جدیدی برای تولید انرژی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C) هستند که بدون ایجاد آلودگی‎های زیست محیطی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A2%D9%84%D9%88%D8%AF%DA%AF%DB% 8C%D9%87%D8%A7%DB%8C_%D8%B2%DB%8C%D8%B3%D8%AA_%D9% 85%D8%AD%DB%8C%D8%B7%DB%8C&action=edit&redlink=1) و صوتی ، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده ، انرژی الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8 %A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C&action=edit&redlink=1) با بازدهی بالا تولید می‎‎‎‎کنند. تولید مستقیم الکتریسیته جایگزینی برای چرخه کارنو (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%86%D8%B1%D8%AE%D9%87_%DA%A9%D8%A7%D8%B1%D9%86% D9%88) جهت تبدیل انرژی شیمیایی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8 %B4%DB%8C%D9%85%DB%8C%D8%A7%DB%8C%DB%8C&action=edit&redlink=1) حاصل از سوخت به انرژی گرمایی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%DA %AF%D8%B1%D9%85%D8%A7%DB%8C%DB%8C&action=edit&redlink=1) و مکانیکی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D9%85%DA%A9%D8%A7% D9%86%DB%8C%DA%A9%DB%8C) و در نهایت الکتریسیته می‎‎باشد که اتلاف انرژی را به حداقل ممکن می‎رساند و به بازدة تئوری دست پیدا می‎کنیم. در پیل‎های سوختی اکسید جامد)سرامیکی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D8%B1%D8%A7%D9%85%DB%8C%DA%A9)(اکسید سرامیک () رسانای یون (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DB%8C%D9%88%D9%86) در الکترولیت است و از اهمیت بسزایی برخوردار است. این پیل در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد کار می‎کند و با بازده در حدود ۶۰ درصد، توان الکتریکی معادل ۱۰۰ مگاوات دارد. در حال حاضر تعداد زیادی از محققان روی جنبه‎های مختلف پیل سوختی اکسید جامد (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%D8%AF_%D8 %AC%D8%A7%D9%85%D8%AF&action=edit&redlink=1)، جهت بهبود خواص پیل کار می‎کنند. برای این کار روی خواص الکترودها و الکترولیت که مهم‌ترین قسمت‎های پیل SOFC می‎باشند را بهینه سازی می‎کنند و روی عناصر و مواد تشکیل دهنده آنها مطالعه انجام می‎دهند.
پیل‎های سوختی در ایران باستان

اعتقاد بر این است که اشکانیان (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%D8%A7%D9%86) در بغداد (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%BA%D8%AF%D8%A7%D8%AF) در فاصله سالهای ۲۵۰ق.م تا ۲۲۴ پ.م. پیل الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%BE%DB%8C%D9%84_%D8%A7%D9%84%DA %A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C&action=edit&redlink=1) ساختند. این باتریها به باتری های بغداد مشهورند. شرکت جنرال الکتریک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%86%D8%B1%D8%A7%D9%84_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9) این باتریها را شبیه سازی کرده است. با روش "تعیین عمر کربنی (Radiocarbon dating)"دریافتند که قدمت این پیلها به ۲۰۰ سال پیش از میلاد می‌رسد. این پیلها دارای بدنهٔ بیرونی از جنس ارتن ور بوده که حاوی میله‌ای آهنی است و به وسیلهٔ بخشی از بدنهٔ مسی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D8%B3%DB%8C&action=edit&redlink=1) (میلهٔ آهنی درون استوانهٔ مسی) ایزوله شده است. زمانی که درون محفظه با محلولی الکترولیت مانند آبلیمو (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D8%A8%D9%84%DB%8C%D9%85%D9%88) پر شود، این وسیله جریان الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D8%B1%DB%8C%D8%A7%D9%86_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) خفیفی تولید می‌کند. این احتمال وجود دارد که این وسیله برای آبکاری (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D8%A8%DA%A9%D8%A7%D8%B1%DB%8C) جواهر (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%88%D8%A7%D9%87%D8%B1) به کار می‌رفته است.
سند دیگری که دال بر اختراع پیلهای الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%BE%DB%8C%D9%84%D9%87%D8%A7%DB% 8C_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8 C&action=edit&redlink=1) توسط اشکانیان (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%D8%A7%D9%86) است توسط باستان شناس (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%A7%D8%B3%D8%AA%D8%A7%D9%86_%D8%B4%D9%86% D8%A7%D8%B3) آلمانی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D9%84%D9%85%D8%A7%D9%86%DB%8C) ویلهلم کونیگ (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%88%DB%8C%D9%84%D9%87%D9%84%D9% 85_%DA%A9%D9%88%D9%86%DB%8C%DA%AF&action=edit&redlink=1) به دست آمد. وی که در سال ۱۹۳۸ ادارهٔ موزه بغداد (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D9%88%D8%B2%D9%87_%D8%A8%D8 %BA%D8%AF%D8%A7%D8%AF&action=edit&redlink=1) را به عهده داشت، در زیر زمین این موزه به جعبه‌ای برخورد که اشیای عجیبی در خود داشت. او پس از تحقیقاتی به این نتیجه رسید که این وسیله شبیه یک باتری مدرن است. او در مقاله‌ای این مطلب را منتشر کرد و از این وسیله با عنوان باتری باستانی یاد کرد که برای آبکاری (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D8%A8%DA%A9%D8%A7%D8%B1%DB%8C) و انتقال لایه‌ای از طلا یا نقره از سطحی به سطح دیگر به کار می‌رفته است.
این تئوری (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D8%A6%D9%88%D8%B1%DB%8C) بعدها توسط دانشمندان دیگری به بوته آزمایش سپره شد. ویلارد گری، مهندس برق شرکت جنرال الکتریک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%86%D8%B1%D8%A7%D9%84_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9) در ایالت ماساچوست (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%A7%D8%B3%D8%A7%DA%86%D9%88%D8%B3%D8%AA)� � پس از مطالعهٔ مقالهٔ کونیگ تصمیم گرفت باتری بغداد (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%BA%D8%AF%D8%A7%D8%AF) را بازسازی کند. وی درون کوزهٔ سفالین را با آب انگور (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A2%D8%A8_%D8%A7%D9%86%DA%AF%D9 %88%D8%B1&action=edit&redlink=1)، سرکه (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D8%B1%DA%A9%D9%87) یا محلول سولفات مس (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%88%D9%84%D9%81%D8%A7%D8% AA_%D9%85%D8%B3&action=edit&redlink=1) پر کرد و موفق به تولید ولتاژ حدود ۱٫۵ تا ۲ ولت شد. بعدها دکتر اگبرشت، مصر شناس مشهور در سال ۱۹۷۸ نمونه‌ای از باتریهای بغداد را بازسازی کرد و آن را با آب انگور پر نمود و توانست ولتاژ ۰٫۸۷ ولت تولید کند. وی از این پیلها برای طلاکاری یک پیکرهٔ نقره‌ای استفاده کرد. نمونه‌های بیشتری از این باتری های باستانی در سال ۱۹۹۹ توسط دانشجویان دکتر Marjorie Senechal، استاد ریاضیات و تاریخ علم در Smith College ماساچوست، ساخته شد. آنها با پر کردن کوزهٔ آن با سرکه قادر به تولید ولتاژ ۱٫۱ ولت بودند. علاوه بر تئوری استفاده از این باتریها برای آبکاری (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D8%A8%DA%A9%D8%A7%D8%B1%DB%8C) فلزها، تئوری های دیگری مبنی بر استفادهٔ پزشکی یا موارد دیگر داده شده" (برای اطلاعات بیشترمی توانید به اصل کتاب مراجعه کنید.)


تاریخچه پیل‎های سوختی

تاریخچه این پیل‎ها به دو دوره متمایز تقسیم می‎شود : دوره اول که حدود صد سال طول کشید ، از سال ۱۸۳۹ با ساخت اولین پیل سوختی با الکترولیت اسید (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B3%DB%8C%D8%AF) سولفوریک (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%88%D9%84%D9%81%D9%88%D8% B1%DB%8C%DA%A9&action=edit&redlink=1) توسط آقای گرو آغاز گردید. با تلاش دانشمندان بزرگی مانند جکس، هابر (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%87%D8%A7%D8%A8%D8%B1&action=edit&redlink=1)، مون و همکاران و شاگردان آنها منجر به درک علمی از پیل سوختی و شنا‎‎‎‎‎‎خت تنگناهای این فن‎آوری تا سال ۱۹۴۰ گردید.
دوره دوم از سال ۱۹۴۰ آغاز می‎شود که بین سالهای ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ نمونه‎های تحقیقاتی متعددی از پیل‎های سوختی توسط شرکت‎های بزرگی مانند جنرال الکتریک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%86%D8%B1%D8%A7%D9%84_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9) با ظرفیت۰۲/۰ وات الی ۱۵ وات ساخته شد. اما هنوز این ظرفیت برای کاربردهای فنی و صنعتی مورد نظر، کافی و قابل قبول نبود. تا اینکه درسال ۱۹۶۵ یک واحد پیل سوختی با ظرفیت یک کیلو‎‎‎وات توسط شرکت جنرال الکتریک به منظور استفاده در ماهواره (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%A7%D9%87%D9%88%D8%A7%D8%B1%D9%87) گمینی۵ ،ساخته شد و توجه دانشمندان را به خود جلب نمود. این پیل سوختی با ولتاژ (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%88%D9%84%D8%AA%D8%A7%DA%98) ۲۵ ولت و شدت جریان (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B4%D8%AF%D8%AA_%D8%AC%D8%B1%DB %8C%D8%A7%D9%86&action=edit&redlink=1) خروجیA ۴۰ آمپر (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D9%85%D9%BE%D8%B1) توانست در طول ۷ پرتاب ماهوارة گمینی ۵، انرژی برابر با ۵۱۹ کیلووات ساعت طی بیش از ۸۴۰ ساعت پرواز را تامین کند. بدین ترتیب معلوم گردید که پیل‎های سوختی می‎توانند برای بسیاری از مقاصد هوا - فضا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%D8%B6%D8%A7) مناسب بوده و انرژی مورد نیاز آنها را به صورت پیوسته و پایدار تامین کنند. این امر موجب گردید تا در سراسر جهان روی توسعة دانش فنی و تکنولوژی ساخت پیل‎های سوختی سرمایه‎‎گذاری‎های بزرگی صورت گیرد. امروزه نیز تحقیقات وسیعی در جهت ارتقاء ظرفیت ، کاهش هزینه‎های ساخت و بهره ‎‎بر‎داری و توسعة ویژگی‎های کاربردی پیل‎های سوختی در جریان می‎باشد. برق خروجی از پیل‎های سوختی جریان مستقیم (DC) است. بنابراین برای مصرف ‎‎کننده‎های جریان متناوب از مبدل‎های DC به AC استفاده می‎کنند. از پیل‎های سوختی می‎توان برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز در مناطقی که دور از شبکه‎های سراسری انتقال و توزیع برق (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%B1%D9%82) هستند و نیز در ایستگاه‎های ماهواره‎ای و مخابراتی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%AE%D8%A7%D8%A8%D8%B1%D8%A7%D8%AA) وغیره نیز به طور رضایت‌بخشی استفاده نمود .
انواع پیل سوختی

پیلهای سوختی در انواع زیر موجود می‎باشند: پیل‎های سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آن‎ها به پنج نوع اصلی طبقه بندی می‎شوند.

پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشاء مبادله کننده پروتون (PEFC)
پیل سوختی قلیایی (AFC)
پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)
پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
لازم به ذکر است که پیل سوختی متانول (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%AA%D8%A7%D9%86%D9%88%D9%84) مستقیم (DMFC)۶ از خانوادة پیل سوختی PEFC است. پیل‎های سوختی بر اساس دمای عملکرد ، دارای دامنة دمایی از ۸۰ برای (PEFC‎) تا ۱۰۰۰ برای (SOFC) می‎باشند. پیل‎های سوختی دمای پایین (PEFC ،PAFC ،AFC) دارای حامل‎های یونیH+ ویا OH- هستند که انتقال یون از میان الکترولیت وانتقال الکترون‎ها از طریق مدار خارجی را به عهده دارند ، و در پیل‎های سوختی دمای بالا مانند الکترولیت کربنات مذاب (MCFC) و الکترولیت اکسید جامد (SOFC) ، جریان الکتریکی به ترتیب از طریق یون‎هایCO۳۲- و O۲- انتقال می‎یابد. در پیل‎های سوختی اکسید جامد (SOFC) یا سرامیکی رسانش ‎یون در الکترولیت معمولاً در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‎شود.
مزایا

مزایای پیل‎های سوختی بطور کلی عبارت‌اند از:

بازده بالا
سازگاری با محیط زیست
سادگی سیستم از نظر تعمیر ونگهداری
تنوع در سوخت مصرفی
عدم آلودگی صوتی به سبب نداشتن قسمت‌های متحرک
طراحی و ساخت توان‎های کوچک (میلی وات ) تا بزرگ (مگاوات)
امکان استفاده از سوختهای فسیلی و پاک، مدولار بودن
قابلیت تولید هم‌زمان حرارت و الکتریسیته و استفاده در کاربردهای تولید غیرمتمرکز انرژی
معایب


به مواد بیشتر و فرآیندهای سریعتری نسبت به دیگر پیل‎ها نیاز دارد.
ممکن است در مدت طولانی کار ، گرما مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی را موجب شود.
در صورت استفاده از سوخت ناخالص ، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در ‎‎‎‎نهایت مسمومیت پیل می‎گردد.
مزایای پیل سوختی اکسید جامد


به علت عملکرد دمایی بالا دارای بیشترین راندمان نسبت به سایر پیل‎های سوختی می‎باشد.
از گرمای تولید شده می‎توان برای افزایش بازدهی مجدد استفاده نمود.
امکان بازسازی درونی سوخت به خاطر عملکرد دمایی بالا وجود دارد.
نیازی به کاتالیستهای (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%A9%D8%A7%D8%AA%D8%A7%D9%84%DB%8C%D8%B3%D8%AA) گران قیمت ندارد.
برای استفاده از سوختهای مختلف نیازی به مبدل‎های سوخت نیست.
از آنجاییکه پیل سوختی اکسید جامد دارای الکترولیت جامد است مشکل خوردگی مواد کم می‎باشد .
برای ساخت اجزای پیل می‎توان از فن‎آوری لایه نازک استفاده نمود. ولی در پیل‎های سوختی با الکترولیت مایع چنین امری دست نیافتنی است.
پیل سوختی اساساً وسیله ای است که سوخت (مانند هیدروژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%87%DB%8C%D8%AF%D8%B1%D9%88%DA%98%D9%86)، متانول (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%AA%D8%A7%D9%86%D9%88%D9%84)، گاز طبیعی، بنزین (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D9%86%D8%B2%DB%8C%D9%86) و...) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل می‌کند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باطری بوده ولی بر خلاف باطری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد. پیل‌های سوختی می‌توانند سوخت‌های حاوی هیدروژن مانند متانول( Methanol ) ، اتانول ( Ethanol) ، گاز طبیعی ( Natural Gas ) و حتی بنزین و گازوئیل (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%DA%AF%D8%A7%D8%B2%D9%88%D8%A6%DB% 8C%D9%84&action=edit&redlink=1) را مورد استفاده قرار دهند. بطورکلی در سوخت‌های هیدروکربوری، هیدروژن توسط یک دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بکار گرفته می‌شود. پیل‌های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش بسزائی داشته و بخاطر عدم بکارگیری قطعات مکانیکی زیاد، ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی‌نماید. علاوه بر آن سیستم پیل سوختی از کارائی نسبتاً بالائی نسبت به موتورهای احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژی در سالهای ۱۹۷۳ و ۱۹۹۱ و آلودگی فزاینده محیط زیست، کشورهای صنعتی را بر آن داشت تا جهت استفاده از سیستم‌هایی با راندمان بالا و سازگار با محیط زیست سرمایه گذاری کلانی نمایند. سیستم‌های پیل سوختی از جمله تکنولوژیهای پیشرفته ایست که مصارف غیر نظامی آن با توانهای میلی وات تا مگا وات موضوع تحقیق شرکتهای تولید نیرو، خودرو سازی و نیز شرکتهای نفتی قرار گرفته‌است. پیل سوختی مجموعه‌ای از الکترولیت ، الکترودها و صفحات دو قطبی است. در پیل سوختی(به‌عنوان مثال نوع الکترولیت پلیمر جامد)، هیدروژن از آند و اکسیژن از کاتد وارد می‌شوند. هیدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%A9%D8%A7%D8%AA%D8%AF) حرکت می‌کند. الکترون (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%86) نیز از طریق مدار خارجی به سوی کاتد هدایت می‌شود. اکسیژن با دریافت الکترون و پروتون به آب تبدیل می‌شود. حرکت الکترون از آند به کاتد جریان برق را به وجود می‌آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است .آب حاصل در کاتد می‌تواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

کتاب Hidden History (http://books.google.com/books?id=fSbRZunGbF4C&pg=PA130&dq=parthian+battery#PPA129,M1)
کتاب chemical and electrochemical energy systems (http://books.google.com/books?id=hISACjsS3FsC&pg=PA66&dq=parthian+battery)
برگرفته از «http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%DB%8C%D9%84_%D8%B3%D9%88%D8%AE%D8%AA%DB%8C (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%DB%8C%D9%84_%D8%B3%D9%88%D8%AE%D8%AA%DB%8C) »

[*sabrina*]

http://i.treehugger.com/images/2007/10/24/biogas%20fuel%20cell-jj-001.jpg

http://www.geni.org/globalenergy/library/technical-articles/generation/title-page-images/fuelcell.jpg

http://physics.nist.gov/MajResFac/NIF/Images/FuelCellBasic.gif


http://www.neoam.cc.ok.us/~rjones/Pages/Online%200123/Chapter%201%20images/fuelcell.gif




http://www.lbl.gov/publicinfo/newscenter/features/2008/apr/assets/img/hires/inside-fuel-cell.jpg

http://www.sabinmetal.com/images/Fuel%20Cell/MainFuelCell.jpg

http://www.goodcleantech.com/images/Sony%20Hybrid%20Fuel%20Cell2.jpg

[*sabrina*]

برخي از كاربردهاي اين پيل ها:

http://www.alternative-energy-news.info/images/pictures/fuel-cell-bike.jpg

http://www.dugnorth.com/blog/uploaded_images/Fuel_Cell_Car_Kit-769167.jpg

http://trafficblognet.com/waterfeul/wp-content/uploads/gm_fuel_cell_car_copy.jpg


http://www.blogcdn.com/www.autoblog.com/media/2008/11/fcsport.jpg



http://imagesme.net/igreenspot/fuel-cell-golf-cart1.JPG


http://temasekpoly.files.wordpress.com/2008/10/fuel-cell-2.jpg

http://www.benzinsider.com/wp-content/uploads/2009/03/fleet-test-for-the-new-mercedes-benz-citaro-fuelcell-hybrid-bus-540x405.jpg

http://www.blogcdn.com/green.autoblog.com/media/2007/04/env-fuel-cell-bike.jpg



http://www.rise.org.au/raps/img/fuel_cell_demo.jpg

http://vidaportatil.com.br/vp/wp-content/uploads/2006/12/samsung-fuel-cell-q35.jpg


http://www.rise.org.au/info/Applic/Fuelcells/index_clip_image003.jpg

http://www.engadget.com/media/2006/12/samsung-sait-fuel-cell-charger.jpg

http://www.treehugger.com/boeing-fuel-cell-plane-001.jpg