مرجع: پیل سوختی

[M!Zare 48037]

پیل سوختی قلیایی

 

پيل‌سوختي قليايي يکي از فن‌آوري‌هاي توسعه يافته مي‌باشد که از اواسط دهه 60 در برنامه آپولو و شاتل‌هاي فضايي ناسا به‌ کار گرفته شد. پيل‌سوختي در اين فضاپيماها هم برق جانبي مورد نياز و هم آب آشاميدني را تامين مي‌نمايد. در اين نوع پيل از اکسيژن و هيدروژن استفاده شده و الکتروليت آن نيز عموماً محلول هيدروکسيد پتاسيم است.

 

دماي عملياتي از 150 تا 220 درجه سانتيگراد متغير است و غلظت الكتروليت هيدروكسيد پتاسيم نيز با دما تغيير مي‌کند. الكتروليت مورد استفاده که محلول برپايه آب است معمولاً در يك ماتريس متخلخل (از جنس آزبست) نگهداري مي‌شود. بازده اين نوع پيل‌سوختي درحدود %70 است و دانسيته توان آن در حد 300-100 است. طول عمر اين پيل‌سوختي بيش از 10000 ساعت مي‌باشد.

 

الكتروكاتاليست در پيل‌سوختي قليايي شامل نيكل، نقره و اكسيد‌هاي ‌فلزات است. در میان پيل‌هاي ‌سوختي دما پايين، پيل‌ سوختي قليايي تنها نوعي است كه قابليت کاربرد كاتاليست‌هاي فلزات معمولي در آن وجود دارد.

 

در اين پيل‌سوختي يون‌هاي هيدروكسيل (-oh) از كاتد به آند مي روند و با هيدروژن واکنش داده و توليد آب و الکترون می‌کنند. الكترون‌هاي بوجود آمده در آند توسط يك مدار خارجي توان الكتريكي توليد مي‌كنند. اين مدار خارجي الكترون‌ها را به كاتد باز مي‌گرداند. آب توليد شده در آند به كاتد برگشته و در آنجا با الكترون‌ها و اكسيژن واكنش داده و موجب ساخته شدن يون‌هاي هيدروكسيل بيشتري مي‌شوند. اين يون‌ها درون الكتروليت نفوذ کرده و واكنش ادامه پيدا مي‌كند واكنش‌هاي شيميايي در آند و كاتد در ذيل آمده است . براساس اين واكنش‌ها پيل‌سوختي الكتريسيته و حرارت را به عنوان محصول جانبي توليد مي‌كند.

[M!Zare 48037]

واكنش آند

2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4 e-

 

واكنش كاتد

O2 + 2 H2O + 4 e- => 4 OH-

 

واكنش كلي پيل

2 H2 + O2 => 2 H2O

 

از خصوصيات پيل‌سوختي قليايي حساسيت زياد آن به CO2موجود در هوا و يا سوخت است. CO2 سريعاً با الکتروليت واکنش داده و موجب کاهش عملکرد پيل‌سوختي مي‌گردد. لذا اين نوع پيل‌سوختي بايستي در محيط بسته باشد و از اکسيژن و هيدروژن خالص استفاده كند و از واكنش‌هاي شيميايي اضافي و ايجاد كربنات جامد جلوگيري ‌شود.

 

جنبه مثبت پيل‌سوختي قليايي توليد ارزان است. کاتاليست مورد استفاده در اين نوع پيل از مواد متنوعي از قبيل نيکل، نقره و اکسيد فلزات است که از کاتاليست‌هاي ساير پيل‌هاي سوختي ارزانتر است.

 

به علت احتمال نشت الكتروليت مايع و حساسيت به آلودگي پيل‌سوختي قليايي براي كاربردهاي حمل و نقلي مناسب نيست.

 

همچنين به دليل دماي پايين كاركرد و در نتيجه شروع به کار سريع پيل‌سوختي کاربرد پيل‌سوختي قليايي به کاربردهاي فضايي کوچک و صنایع نظامي خاص محدود مي‌شود.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی اسید فسفریک

 

پيل‌سوختي اسيد فسفريك اولين پيل‌سوختي تجاري مي باشد كه توسعه آن از اواسط دهه 1960 آغاز گشت و از سال 1970 در مرحله آزمايش قرار گرفت و همچنان در حال توسعه در زمينه افزايش پايداري و عملكرد و کاهش هزينه مي‌باشد. الکترولیت مورد استفاده در اين پيل‌سوختي اسيدفسفريك با غلظتي در حدود %100 می‌باشد. محدوده دماي كاركرد اين پيل‌سوختي بين 150 تا 220 درجه سانتيگراد است. هدايت يوني در اسيدفسفريك نسبتاً ضعيف است ولي به علت پایداری بیشتر نسبت به ساير اسيدها جهت استفاده در اين نوع پيل‌سوختي ارجحيت دارد. پيل‌سوختي اسيدفسفريك به CO2 حساسیتی نداشته و حضور CO تا حد 2-1 درصد مشکلی ایجاد نمی‌کند. كاتاليست مورد استفاده در پيل‌سوختي اسيد فسفريک پلاتين و ماتريسي كه براي نگه‌داري اسيد به كار مي‌رود از جنس كاربيد سيليكون (SiC) است. بازده الكتريكي اين نوع پيل‌سوختي در حد 45%-40% است كه با استفاده از حرارت حاصل از واكنش‌هاي الكتروشيميايي در کاربردهاي توامان برق و حرارت ميزان بازده کلي (الکتريکي و حرارتي) به 85% افزايش مي‌يابد.

 

اکنون پيل‌هاي‌سوختي اسيدفسفريك با توان 200 کيلووات مشغول به کار مي‌باشد و واحدهايي با توان 11 مگاوات در حال تست هستند.

 

سوخت مورد استفاده در پیل‌سوختی اسیدفسفریک هیدروژن می‌باشد و یون هیدروژن H+ نقش حامل بار را ایفاء می‌کند. همانند پیل‌های سوختی پلیمری هيدروژن در آند به پروتون و الكترون تفکیک شده و پروتون از طریق الکترولیت و الکترون از طریق مدار بیرونی به کاتد منتقل می‌شوند. در كاتد الكترون‌ها، يون‌هاي هيدروژن و اكسيژن واکنش داده و آب تولید می‌گردد.

[M!Zare 48037]

واکنش‌های آند، کاتد و واکنش کلی پیل در ذیل ارائه شده است.

 

واكنش آند

2 H2 => 4 H+ + 4 e-

 

واكنش كاتد

O2(g) + 4 H+ + 4 e- => 2 H2O

 

واكنش كلي پيل

2 H2 + O2 => 2 H2O

 

 

استفاده از کاتالیت پلاتین سبب افزایش سرعت واکنش‌های آند و کاتد می‌گردد.

 

تامین هيدروژن مورد نياز براي پيل‌سوختي اسیدفسفريک با به کارگیری يك مبدل خارجي انجام می‌گیرد که در آن سوخت هيدروكربن به هیدروژن تبدیل مي‌شود. وجود گوگرد حتی در کمترین مقدار موجب صدمه دیدن کاتالیست می‌شود. از این رو جداسازی کامل سولفور از سوخت هیدروکربنی مصرفی امری ضروری می‌باشد. گرماي بوجود آمده در پيل‌سوختي اسيدفسفريک می‌تواند در كاربرد تركيبي گرما و برق مورد استفاده قرار گیرد.

 

از نکاتی که می‌بایست در پیل‌سوختی اسیدفسفریک مدنظر قرار گیرد، مقاومت اجزای آن می‌باشد، که بایستی در برابر خورندگی اسید مقاومت بالایی از خود نشان دهند.

 

يكي از مهمترين کاربردهاي پيل‌سوختي اسيدفسفريك، در مصارف (on-site) يا نيروگاه‌هاي غير متمرکز نصب شده در محل مصرف است كه در زمان حاضر يكي از موثرترين كاربردهاي اين گونه پيل‌هاي‌سوختي است. در اين حالت مولد پيل‌سوختي اسيدفسفريك به طور مستقيم در محل مصرف نصب مي‌شود و از حرارت و الكتريسيته توليدي به طور همزمان استفاده مي‌گردد.

 

پيل‌سوختي اسيد فسفريك اولين تكنولوژي پيل‌سوختي است كه به صورت تجاري در دسترس قرار گرفته است. سيستم‌هايي از اين نوع كه در حال حاضر در دسترس هستند در خانه‌ها و هتل‌ها و بيمارستان‌ها وبرخي واحدهاي الکتريکي نصب شده است. بعضي از اين واحدها داراي مشخصات تجاري بوده و ضمانت سازندگانشان را به همراه دارند.

[M!Zare 48037]

 

یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه ملی تسین‌هوآی تایوان یک سامانه پیل‌سوختی اکسید جامد دما پایین را توسعه داده داده‌اندکه بدون مصرف سوخت آند (گاز کاهنده) در دماهای نزدیک به دمای اگزوز کار می‌کند و نیازی به گرمایش اضافی ندارد. این پیل‌سوختی قادر است میزان هیدروکربن‌ها و گازهای NOx خروجی از موتورهای رقیق‌سوز را به صورت همزمان کاهش دهد.

موتورهای رقیق‌سوز (lean-burn) موتورهایی هستند که نسبت هوا به سوخت در آن‌ها تا 5 برابر نسبت استوکیومتری می‌رسد. اگرچه این موتورها بازده بالاتری نسبت به موتورهای معمولی دارند اما کاهش گاز‌های NOx تولید شده در این موتورها که ممکن است غلظت آن‌ها تا ppm 4000 هم برسد، توسط مبدل‌های کاتالیستی سه‌طرفه امکان‌پذیر نیست؛ چرا که این مبدل‌ها برای واکنش‌های استوکیومتری طراحی شده‌اند.

عملکرد پیل‌های سوختی اکسید جامد نشان‌ از آن دارد که این پیل‌ها می‌توانند، با هزینه‌ای قابل قبول، به صورت هم‌زمان توان تولید کنند و گازهای NOx را به عنوان گاز اکسیدکننده مصرف نمایند. این روش را اختصاراً SOFC-DeNOx می‌نامند. اگرچه پیل‌های سوختی اکسید جامد در دمای گازهای خروجی از اگزوز (پایین‌تر از 400 درجه سانتی‌گراد) می‌توانند با مصرف گازهای NOx جریان الکتریسیته تولید کنند، اما توان تولیدی آن‌ها در این شرایط بسیار کم است. برای افزایش توان تولیدی بایستی سوخت آند (مثلاً هیدروژن) را به پیل‌سوختی تزریق کرد و دمای آن را با اعمال حرارت افزایش داد که البته مصرف سوخت آند هزینه‌ها را افزایش می‌دهد و مشکلات سوخت‌گیری را، در صورت متفاوت بودن سوخت آند با سوخت خودرو، به همراه دارد. بنابراین، عملکرد پیل‌های سوختی در دمای اگزوز و در حالت مدار باز برای رسیدن به هدف بسیار مطلوب است. چنین عملکردی از پیل‌سوختی نیازی به گرمایش اضافی و یا تزریق گاز آند ندارد و می‌توان آن را به صورت on-board استفاده کرد. در این سامانه سوخت آند تنها به عنوان یک کاهنده برای تولید ولتاژ مدار باز عمل می‌کند، بنابراین می‌توان مقداری از این سوخت را در قسمت آند به صورت محصور قرار داد به گونه‌ای که دیگر نیازی به مصرف این سوخت نباشد.

این تیم تحقیقاتی یک واحد پیل‌سوختی اکسید جامد را با استفاده از ترکیب Ni–YSZ به عنوان آند، YSZ به عنوان الکترولیت و La0.6Sr0.4CoO3(LSC)–Ce0.9Gd0.1O1.95(GDC) به عنوان کاتد ساختند. LSC یک ماده معرف برای کاتد و GDC یک الکترود معروف برای پیل‌هایی سوختی اکسید جامد دما متوسط است.

تیم تحقیقاتی پیل‌سوختی خود را در دمای 450 درجه سانتی‌گراد و در حالت مدار باز تست کردند. آن‌ها در این تست از هیدروژن خالص به عنوان گاز آند و از ترکیبی شبیه گاز خروجی از اگزوز موتورهای رقیق‌سوز به عنوان گاز کاتد استفاده نمودند.

آن‌ها در یک حالت خاص، ppm 300 گاز پروپیلن یا ppm 35 گاز دی‌ اکسید گوگرد نیز به مخلوط گاز کاتد اضافه کردند و دبی گاز آند و کاتد را در سطح 150 میلی‌لیتر بر دقیقه نگه‌داشتند. و غلظت‌های بالای NOx و هیدروکربن‌ها را هم‌زمان کنترل کنند و پیل توانست بدون مصرف سوخت آند (ماده کاهنده) به فعالیت خود ادامه دهد و این به معنی عدم نیاز به مراقبت می‌باشد.

گفتنی است که نتایج حاصل از تحقیقات این محققین در مقاله‌ای در مجله Environmental Science & Technology به چاپ رسیده است.

 

منبع:greencarcongress

[M!Zare 48037]

پیل سوختی اکسید جامد

 

توسعه پيل‌سوختي اكسيد جامد (SOFC) از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در حال حاضر بالاترين دما را در ميان انواع پيل‌سوختي دارد. محدوده دماي عملكرد این پیل600 - 1000 درجه سانتيگراد است و به همين دليل از انواع سوخت‌ها در آن مي‌توان استفاده نمود. اين پيل‌سوختي دو ساختار صفحه اي و لوله‌اي دارد و از الكتروليت جامد سراميكي نازكي به جاي الكتروليت مايع استفاده مي‌شود.

 

در دماي عملكرد بالا در پيل‌سوختي اکسيد جامد يون‌هاي اكسيژن (با بار منفي) از شبكه كريستالي(عموماً ترکیبی از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم) عبور مي‌كنند. در كاتد ملكول‌هاي اكسيژن هوا با چهار الكترون تركيب مي‌شوند. وقتي يك سوخت گازي حاوي هيدروژن از آند عبور كند، يك جريان شارژ شده منفي شامل يون‌هاي اكسيژن از الكتروليت عبور مي‌كند تا سوخت را اكسيد كنند. الكترون هاي ايجاد شده در آند از يك مدار خارجي عبور مي كنند و به كاتد مي روند. با اين كار مدار الكتريكي كامل شده و انرژي برق توليد مي‌شود. پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد نياز به مبدل خارجي ندارند. واكنش‌هاي پيل‌سوختي اكسيد جامد به صورت زير است:

 

واكنش آند

2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e-

 

واكنش كاتد

O2 + 4 e- => 2 O2-

 

واكنش كلي پيل

2 H2 + O2 => 2 H2O

 

پيل‌‌سوختي اكسيد جامد راندماني در حدود 60-45 درصد دارد و ميزان دانسيته توان توليدي در اين نوع پيل‌‌سوختي 300-240 است. طول عمر اين نوع پيل‌سوختي بيش از 40000 ساعت است. ترکيب این نوع پيل‌سوختي با يک توربين بازده کلي را به 70% افزايش مي ‌دهد.

 

با توجه به دماي بالاي کارکرد پيل‌سوختي اکسيد جامد، کاربردهاي نيروگاهي اين نوع پيل‌سوختي بيشتر مدنظر است. دماي بالاي کارکرد يک سري مزاياي ويژه را براي اين نوع پيل‌سوختي به همراه مي‌آورد. اين مزايا عبارتند از:

• تنوع در سوخت مورد استفاده(گازي نمودن ذغال، گازهاي حاصل از فرايندهاي صنعتي و ساير منابع)
  
• امکان تبديل مستقيم سوخت‌هاي هيدروکربني بدون نياز به مبدل سوخت
  
• راندمان بالا
  
• امکان به کارگيري در مولدهاي تواان برق و حرارت(بازيافت حرارتي جهت گرم نمودن فضا و يا توربين بخار جهت ايجاد برق)
  

دماي بالاي کارکرد پيل‌سوختي اکسيد جامد و نياز به مواد گرانقيمت تنوع کاربردها را در اين پيل‌سوختي محدود مي‌کند ولی از طرف ديگر با افزايش دماي کارکرد امکان تبديل سوخت در داخل پيل‌سوختي ميسر شده و امکان بهره‌برداری موثر از انرژي گرمايي توليد شده نيز بوجود مي‌آيد.

 

با توجه به دماي بالاي کارکرد پيل‌سوختي اکسيدجامد، اين نوع پيل‌سوختي در نيروگاه‌هاي بزرگ توليد برق و هم چنين نيروگاه‌هاي سيكل‌ تركيبي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی هوا-روی

 

در يک پيل‌سوختي هوا-روي معمولی يک الکترود نفوذ گاز(GDE) و يک آند روي وجود دارد که توسط الکتروليت و بعضي جداکننده‌هاي مکانيکي از يکديگر جدا شده‌اند.GDE يک غشاء تراوش‌پذير است که اکسيژن با فشار اتمسفر را از خود عبور مي‌دهد. پس از تبديل اکسيژن به يون‌هاي هيدروکسيل و آب، يون‌هاي هيدروکسيل با عبور از الکتروليت به آند روي مي‌رسند.

 

در آند یون‌های هیدروکسیل با روي واکنش داده و اکسيد روي تشکيل مي‌دهند. در اين فرايند پتانسيل الکتريکي توليد مي‌شود.

 

هنگامي که یک دسته از پيل هاي هوا- روي به هم متصل شوند، پتانسيل الکتريکي حاصل از ترکيب اين پيل‌ها مي‌تواند به عنوان يک منبع توان الکتريکي استفاده شود. اين فرايند الکتروشيميايي بسيار شبيه يک پيل‌سوختي پليمري است اما سوختگيري آن متفاوت است و ويژگي‌هاي اختصاصي باتري‌ها را شامل مي شود. پيل‌سوختي هوا- روي شامل مخزن سوخت روي و يک يخچال روي است که بطور اتوماتيک و بدون صدا سوخت را توليد مي‌کند.

 

در سيستم حلقه بسته وقتي روي و اکسيژن در حضور الکتروليت مخلوط مي‌شوند(مانند پيل‌سوختي پليمري) و اکسيد روي تشکيل مي‌دهد، برق توليد مي‌شود. بعد از اتمام سوخت، سيستم به يک شبکه متصل شده و فرايند معکوس مي‌گردد. نکته کليدي اين است که فرايند معکوس براي کامل شدن تنها 5 دقيقه زمان مي گيرد.

 

مزيت مهم فن‌آوري هوا- روی نسبت به ساير فن‌آوري باتري، انر‍ژي مخصوص بالا است. هنگامي که پيل‌سوختي هوا- روي به عنوان نيرو محركه خودروهاي برقي استفاده مي‌شود، برد بيشتري را نسبت به باتري با وزن مشابه نشان دادند.

 

علاوه بر اين به جهت فراواني روي در زمين هزينه مواد براي پيل‌سوختي هوا- روي و باتري‌هاي هوا- روي بسيار پايين مي‌باشد. بنابراين فن‌آوري هوا- روي مستعد جهت کاربردهاي وسيعي نظير خودروهاي برقي،مصرف کننده‌هاي الکترونيکي تا كاربردهاي نظامي است. شركت Powerzinc در کاليفرنياي جنوبي در حال حاضر فن‌آوري هوا- روي خود را براي برخي کاربردها به مرحله تجاري رسانده است.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی سرامیکی پروتونی

 

 

اين نمونه جديد پيل سوختي بر پايه ماده الکتروليتي سراميکي استوار است که در دماهاي بالا رسانايي پروتوني بالايي دارد.

 

پيل‌سوختي سراميكي مزيت هاي جنبشي و گرمايي در عمليات دماي بالا (در 700 درجه سلسيوس) پيل‌سوختي کربنات مذاب و پيل‌سوختي اکسيد جامد را شامل مي‌شود، در حالي که تمام مزاياي رسانايي پروتون در پيل‌هاي سوختي اسيد فسفريک و پيل‌سوختي پليمري را دارد.

 

در اين نوع پيل دماي عملياتي بالا جهت رسيدن به بازدهي بيشتر با سوخت هاي هيدروکربني ضروري است. دمای عملیاتی این نوع از پيل‌هاي سوختي سراميكي سبب می‌گردد تا سوخت‌هاي فسيلي به طور الکتروشيميايي اکسید شده و مستقيماً در آند مورد استفاده قرار گیرند.

 

اين عمل مراحل مياني توليد هيدروژن در طول فرايند پرهزينه تبديل سوخت را حذف مي‌کند. مولکول‌هاي گازي سوخت هيدروکربني در حضور بخارآب روي سطح آند جذب شده و به اتم‌هاي هيدروژن و دي اکسيدکربن تبديل مي‌گردد. شركت Coorstek در حال مطالعه اوليه اين نوع پيل‌سوختي است.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی کربنات مذاب

 

پيل‌سوختي كربنات مذاب (MCFC) کاملاً متفاوت از ساير انواع پيل‌سوختي عمل مي‌‌نمايد. الكتروليت اين پيل‌ها تركيبي از مذاب كربنات نمك‌ها مي‌باشد. دو نوع ترکيبي که اکنون بیشترین کاربرد را دارند ترکیب كربنات سديم و کربنات ليتيم و يا کربنات پتاسيم و کربنات ليتيم مي‌باشند كه در ماتريسي از جنس LiAlO2 نگهداري مي‌شود. بواسطه دماي كاركرد بالا اين نوع پيل‌سوختي، نيكل به عنوان آند و اكسيد نيكل به عنوان كاتد استفاده مي‌شود و نيازي به استفاده از فلزات كمياب در الکترودهاي اين پيل‌سوختي نیست.

 

براي ذوب كربنات نمك و دستيابي به هدايت يون بهتر در الكتروليت، پيل‌سوختي کربنات مذاب دماي بالا ( 600تا700 درجه سانتيگراد )كار مي‌كند. از این رو این پیل‌ها در خانواده پیل های سوختی دما بالا طبقه‌بندی می‌شوند.

 

يون‌هاي هادي در اين پيل‌سوختي كربنات (CO32-)مي باشند. اين يون‌ها از کاتد به آند منتقل مي‌گردد. در آند، هيدروژن با اين يون‌ها واكنش داده و دي اكسيد كربن، آب و الكترون تشكيل مي‌دهد. الكترون‌ها توسط يك مدار خارجي از آند به كاتد منتقل مي‌شود و برق توليد مي‌كند. اكسيژن هوا با دي اكسيد كربن بازيافت شده از آند با الكترون ها واكنش مي‌دهد و يون‌هاي CO32-را بوجود مي‌آورد و الكتروليت را سرشار از يون‌ها CO32- مي‌کند. واكنش‌ها به شرح ذيل است:

 

واكنش آند

CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-

 

واكنش كاتد

CO2+ 1/2O2 + 2e- => CO32-

 

واكنش كلي پيل

H2(g) + ½O2(g) + CO2 (cathode) => H2O(g) + CO2 (anode)

[M!Zare 48037]

گرما به عنوان محصول فرعي براي توليد بخار فشار بالا استفاده مي‌شود كه در صنعت كاربرد زيادي دارد. ميزان بازده سوخت در اين پيل‌سوختي در حدود %60 درصد است ولي با بازيافت حرارتي در سيستم‌هاي توامان برق و حرارت بازده به بيش از %75 مي‌رسد. دانسيته توان در اين پيل‌سوختي در حدود 200ـ100 است. اين نوع پيل‌سوختي طول عمري بيش از 40000 ساعت از خود نشان داده است.

 

پيل‌هاي سوختي کربنات مذاب بر خلاف پیل‌های سوختی اسید فسفریک و قلیایی حساسيت كمتري نسبت به مسموميت مونوكسيد كربن دارند و همین امر سبب می‌گردد که امکان استفاده ازن سوخت‌هایی که بر پايه زغال سنگ می‌باشند در اين نوع پيل‌سوختي وجود داشته باشد. پيل‌هاي سوختي کربنات مذاب با كاتاليست‌هاي نيكلي که ارزان‌تر از کاتاليست‌هاي پلاتيني هستند عملکرد بسيار خوبي از خود نشان دادند. واحدهاي تولیدی از این نوع پيل‌سوختي تا ظرفيت 2 مگاوات وجود دارند. و طراحي‌های مربوط ب واحدهای 50 الي 100 مگاوات نيز انجام شده است.

 

پيل‌سوختي كربنات در مقايسه با سایر پيل‌های ‌سوختي دما بالا داراي دو مشكل می‌باشد، يكي از اين مشكلات پيچيدگي كار با الكتروليت مايع است. دومين مشكل باقيمانده‌هاي واكنش شيميايي در پيل‌سوختي كربنات مذاب است. يون‌هاي كربنات الكتروليت در واكنش‌هاي آند استفاده مي‌شوند بنابراين نياز داريم كه توسط تزريق دي اكسيد كربن در كاتد اين مقدار را جبران كنيم.

 

دماي بالاي عملکرد پيل‌سوختي‌ کربنات مذاب کاربرد اين گونه پيل‌هاي‌سوختي را محدود به نيروگاه‌هاي بزرگ توليد الکتريسيته کرده و امکان استفاده از آن در کاربردهای کوچک و يا حتي خانگي وجود ندارد. دماي بالاي کارکرد اين نوع پيل‌سوختي‌ مزاياي ويژه‌اي را نيز به همراه دارد. يکي از مهم‌ترين مزاياي دماي بالاي کارکرد اين نوع پيل‌سوختي‌ قابليت تبديل سوخت در داخل پيل‌سوختي‌ است به اين معني که سوخت مصرفي مانند گازطبيعي به طور مستقيم در پيل‌سوختي‌ مورد استفاده قرار مي‌گيرد. از مزاياي ديگر اين نوع پيل‌سوختي امکان استفاده از گرماي توليدي در پروسه‌هاي شيميايي و در توليد بخار و انتقال بخار حاصل به توربين‌هاي بخار جهت توليد الکتريسيته است.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی متانولی

 

پيل متانولي يک فن‌آوري نوظهور است که در آينده بسيار نزديک در تلفن‌هاي همراه و Laptop ها به توليد انبوه خواهد رسيد. در اوايل دهه 90 پيل‌سوختي متانولي بدليل كارايي و چگالي قدرت پايين و ساير مشكلاتش هنوز مناسب نبود. بهبود در كاتاليست و ديگر پیشرفت‌های ایجاد شده در طی سال‌های اخير، چگالي قدرت را 20 برابر افزايش داده و كارايي آن را به 40 % رسانیده است. ميزان توان گرفته شده از اين پيل‌سوختي در حدودmW/Cm2 400-200 است.

پيل‌سوختي متانولي در واقع نوعي پيل‌سوختي پليمري است با اين تفاوت که در اين پيل‌سوختي ساختار الکترودها با پيل‌سوختي پليمري تا حدي متفاوت است و در اين نوع پيل متانول مايع به عنوان سوخت مصرف مي‌شود. مشکل اصلي در مورد اين پيل‌سوختي عبور متانول از غشاء پليمري است به همين دليل تحقيقات برروي الکتروليت‌هايي که ميزان عبوردهي کمتري دارند متمرکز شده است.

 

در پيل‌سوختي متانولي يون هيدروژن (پروتون) حامل بار است. در آند متانول مايع با آب اکسید شده و دي اكسيد كربن و یون هیدروژن تولید می‌کند. يون‌هاي هيدروژن از طریق الکترولیت و الكترون‌ها از طريق يك مدار خارجي که عامل ایجاد الکتریسته در سیستم است، به سمت کاتد حرکت می‌کنند. در کاتد يون‌هاي هيدروژن و الكترون‌ها با اكسيژن واكنش داده و آب توليد مي‌شود که مقداری از این آب تولید شده جهت مصرف به سمت آند ارسال می‌گردد.

[M!Zare 48037]

واكنش‌های انجام شده در پیل به شرح ذیل مي‌باشد:

 

واكنش آند

CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-

 

واكنش كاتد

3/2 O2 + 6 H+ + 6e- => 3 H2O

 

واكنش كلي پيل

CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + 2 H2O

 

اين پيل‌ها در محدوده دمايي 50 تا 120 درجه سانتي گراد، آزمايش شده‌اند. اين دماي كم كاركرد و عدم نياز به مبدل سوخت، اين پيل را نمونه خوبي براي كاربردهاي کوچک و متوسط مثل تلفن‌هاي همراه و ديگر محصولات نظير آن همچون مولد برق اتومبيل معرفي مي‌كند.

 

پيل‌هاي ‌‌سوختي متانولي مي‌تواند 10 برابر باتري‌هاي پيشرفته انرژي الکتريکي در اختيار ما قرار دهند و نياز به شارژ مجدد نخواهند داشت. فقط لازم است که کارتريج حاوی سوخت در این نوع پيل‌هاي ‌‌سوختي تعويض شود.

 

دماي پائين اين پيل‌ها سبب می‌گردد تا فرایند اکسيداسيون متانول به یون هيدروژن و دي‌اکسيدکربن نيازبه مقادیر بیشتری از کاتاليست و فعالیت بهتر آن داشته باشد.و همین موضوع موجب گرانتر شدن این پیل‌ها می‌گردد.

 

با توجه به اينکه متانول سمی است برخي شرکت‌ها به توسعه پيل‌هاي سوختي اتانولي نیز پرداخته‌اند. البته عملکرد پيل‌سوختي اتانولي نصف نوع متانولي است که انتظار مي‌رود با ادامه تحقيقات کارايي آنها به هم نزديک شود.

[M!Zare 48037]

پيل‌سوختي ميكروبي

 

 

پيل‌سوختي ميكروبي (MFC) [Microbial Fuel Cell] يا پيل‌سوختي زيستي [biological fuel cell]، يك سيستم بيو- الكتروشيميايي مي‌باشد كه با كمك شبيه‌سازي برهم‌كنش‌هاي باكتريايي موجود در طبيعت، توليد جريان مي‌نمايد.

يك پيل‌سوختي ميكروبي دستگاهي است كه توسط واكنش كاتاليستي ميكرو اورگانيسم‌ها، انرژي شيميايي را به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند (Allen and Bennetto, 1993). اين پيل‌ها شامل بدنه كاتدي و آندي جدا شده توسط غشاي مخصوص كاتيوني مي‌باشد. در بدنه آندني، سوخت توسط ميكروارگانيسم‌ها اكسيد شده، توليد الكترون و پروتون مي‌نمايد. الكترون‌هاي توليدي از طريق يك مدار خارجي و پروتون‌ها از ميان غشاء به بدنه كاتدي منتقل مي‌شوند. الكترون‌ها و پروتون‌ها در بدنه كاتدي مصرف شده و براي توليد آب با اكسيژن تركيب مي‌شوند. در مجموع، دو نوع پيل‌سوختي ميكروبي وجود دارد كه عبارتند‌از پيل‌هاي‌سوختي ميكروبي واسطه و كم‌واسطه، كه در آن‌ها گلوكز و متانول گرفته شده از ضايعات غذايي، به هيدروژن تبديل مي‌شوند.

پيل‌سوختي ميكروبي واسطه: بيشتر پيل‌هاي‌ميكروبي از نظر الكتروشيميايي غيرفعال مي‌باشند و انتقال الكترون از آن‌ها به الكترود توسط واسطه‌هايي مثل تيونين، متيل ويولوژن، متيل بلو، هيوميك اسيد، قرمز خنثي (Netutral red) و ... تسهيل مي‌يابد. اكثر واسطه‌هاي موجود گران و سمي مي‌باشند.

پيل‌سوختي ميكروبي كم‌واسطه: پيل‌هاي‌سوختي ميكروبي كم واسطه در انستيتوي علوم و تكنولوژي مهندسي كشور كره توسط تيمي تحت رهبري Kim، Byung و Hong تهيه شده است. اين‌ پيل‌ها نياز به واسط ندارند ولي از باكتري فعال الكتروشيميايي براي انتقال الكترون‌ها به الكترود استفاده مي‌نمايند (الكترون‌ها مستقيماً از آنزيم تنفسي به الكترود حمل مي‌شوند). در ميان باكتري‌هاي فعال الكتروشيميايي، Shewanella putrefaciens، (Kim et al.799a)، Aeromonas hydrophila (Coung et al.0,2003) و ... مهم‌ترين آن‌ها مي‌باشند. بعضي از باكتري‌ها، كه روي غشاي خارجي خود داراي توده (‌Pili) مي‌باشند، قادر به انتقال الكترون توليدي خود از طريق آن‌ها مي‌باشند. با توجه به جديد بودن MFCهاي كم واسطه فاكتورهايي كه عمليات بهينه آن را تحت تأثير قرار مي‌دهند، مثل باكتري استفاده شده در سيستم، نوع غشاي يوني و شرايط سيستم همانند دما، كاملاً مشخص نشده است. باكتري‌هاي MFC كم واسطه معمولاً آنزيم‌هاي اكسايش- كاهشي فعال الكتروشيميايي مثل سيتوكروم‌ها را روي غشاي خارجي خود دارند و مي‌توانند با استفاده از آن‌ها الكترون‌ها را به مواد خارجي انتقال دهند.

[M!Zare 48037]

الكتريسيته توليدي

زماني كه ميكرواورگانيسم‌ها جزء مورد عمل خود را، مثل شكر، در شرايط هوازي مصرف مي‌نمايند توليد اكسيدكربن و آب و در شرايط غير هوازي، همان‌گونه كه در زير توضيح داده شده است، توليد دي‌اكسيدكربن، پروتون و الكترون مي‌نمايند (Bennetto, 1990):

 

معادله 1:

پيل‌هاي‌سوختي ميكروبي از واسطه‌هاي غيرآلي براي حمل الكترون‌هاي توليد استفاده مي‌نمايند. واسطه از غشاءهاي خارجي چربي سل و ديوار پلاسما عبور مي‌كند؛ پس شروع به رها كردن الكترون‌ها از زنجير حامل الكترون كه معمولاً توسط اكسيژن يا ساير واسطه‌ها جذب شده است، مي‌نمايد. واسطه‌اي كه هم‌اكنون كاهيده شده، پيل داراي بار الكترون‌ها را ترك نموده و به سمت الكترود مخالف حركت مي‌كند؛ آزاد‌سازي الكترون‌ها به اين معناست كه واسطه به حالت اكسيد شده اصلي خود بازگشته و براي تكرار فرآيند آماده است. ذكر اين نكته مهم است كه تحت شرايط بي‌هوازي، وجود اكسيژن به دليل الكترونگاتيوي بالاتر باعث جمع نمودن تمامي الكترون‌ها مي‌شود.

در يك عمليات پيل‌سوختي ميكروبي، آند پذيرنده نهايي الكترون است كه توسط باكتري در محفظه آندي تشخيص داده مي‌شود. بنابراين، فعاليت ميكروبي شديداً به پتانسيل اكسايشي- كاهشي آند بستگي دارد.

تعدادي از واسطه‌هاي پيشنهادي براي استفاده در پيل‌سوختي ميكروبي عبارتنداز: neutral red،‌ methylene، thionine يا resorfuin

براي توليد يك جريان مفيد لازم است كه يك مدار كامل ايجاد شود و تنها نقل و انتقال الكترون به يك نقطه واحد، صورت نگيرد. جزئيات فرآيند به اين صورت است كه واسطه و ميكروارگانيسم، در محلولي شامل جزء مناسب مورد عمل، مانند گلوكز، با يكديگر مخلوط مي‌شوند. اين مخلوط در يك محفظه عايق براي جلوگيري از ورود اكسيژن قرار داده شده و بنابراين ميكروارگانيسم مجبور به استفاده از يك تنفس غير هوازي مي‌شود. در ادامه الكترودي در محلول قرار مي‌گيرد و همان‌گونه كه قبلاً توضيح داده شد، به عنوان آند عمل مي‌كند.

در محفظه دوم MFC، محلول و الكترود ديگري وجود دارد. اين الكترود كه كاتد ناميده مي‌شود، با بار مثبت شارژ شده و معادل منبع اكسيژن در انتهاي زنجير حامل الكترون مي‌باشد. محلول مورد استفاده يك عامل اكسيد كننده است كه الكترون‌ها را از كاتد برمي‌دارد. همانند زنجير الكتروني درون پيل‌مخمر، در اين‌جا نيز زنجيرها مي‌توانند تعدادي از مولكول‌ها مثل اكسيژن باشند. هرچند، اين مسئله چندان عملي نمي‌باشد زيرا نيازمند حجم بزرگي از گاز در گردش است. گزينه مناسب‌تر استفاده از محلولي از عامل جامد اكسايد كننده مي‌باشد.

متصل كننده دو الكترود سيم (يا مسير ديگر هادي الكتريسيته كه مي‌تواند شامل چند دستگاه الكتريكي مثل لامپ برق باشد) و كامل كننده مدار و اتصال دهنده دو محفظه يك پل نمكي يا غشاء تبادل يون مي‌باشد. تركيب آخر باعث توليد پروتون‌ها شده، همان‌گونه كه در معادله 1 توصيف شد، براي عبور از محفظه آندي به محفظه كاتدي استفاده مي‌شود.

واسطه كاهيده، الكترون‌ها را از پيل به الكترود حمل مي‌نمايد و در اين‌جا با ته‌نشين نمودن الكترون‌ها اكسيد مي‌شود. پس از طريق سيم به سمت الكترود دوم كه به عنوان منبع الكترون عمل مي‌كند، جاري مي‌شوند و از آن‌جا به سمت ماده اكسيد كننده عبور مي‌كند.

[M!Zare 48037]

موارد مصرف

پيل‌هاي سوختي ميكروبي پتانسيل استفاده در مواردي را دارا مي‌باشند. اولين آشكار‌ترين مورد استفاده آن‌ها،‌ توليد الكتريسيته براي يك منبع انرژي است. در واقع هر ماده آلي مي‌تواند به عنوان خوراك به پيل‌سوختي استفاده ‌شود. MFCها مي‌توانند در كارخانجات تصفيه فاضلاب نصب شده و با مصرف مواد زائد آب توسط باكتري‌هاشان توليد نيروي مكمل براي آن كارخانه نمايند. مزايايMFC ها استفاده از روشي بسيار تميز و كارآمد براي توليد انرژي مي‌باشند. آلايندگي پيل‌سوختي كمتر از ميزان تعيين شده در مقررات است، همچنين MFCها بسيار مؤثرتر از موتور‌هاي احتراق استاندارد، انرژي را مصرف مي‌نمايند. در تئوري بازده انرژي يك MFC بسيار بيشتر از 50% مي‌باشد.

اگرچه MFCها در مقياس بالا استفاده نمي‌شوند، چون الكترودها در بعضي موارد تنها 7 ميكرومتر ضخامت 2 سانتي متر طول دارد. مزاياي استفاده از MFCها در اين شرايط برخلاف يك باتري نرمال، استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير و عدم نياز به شارژ مجدد مي‌باشد. علاوه‌بر آن به خوبي در شرايط ملايم يعني دماي cº40-20 و PH=7 قابل استفاده مي‌باشند. با وجود برتري بيشتر نسبت به كاتاليست‌هاي فلزي،‌ براي كاربردهاي بهداشتي طولاني مدت مانند دستگاه تنظيم كننده ضربان قلب، چندان متداول نيستند (Biotech/Life).

[M!Zare 48037]

پیل سوختی اسید فرمیک

 

پيل‌هاي سوختي اسيد فرميكي مستقيم با ‌dfafcها زير مجموعه‌اي از پيل‌هاي سوختي تبادل پروتن مي‌باشند كه سوخت آنها (اسيد فرميك) بهسازي نشده و مستقيماً به پيل‌سوختي خورانده مي‌شوند. كاربرد آنها در وسايل الكترونيكي قابل حمل و كوچك مثل تلفن و كامپيوتر قابل حمل مي‌باشد.

 

مشايه متانول، اسيدفرميك يك مولكول كوچك آلي است كه مستيقماً به پيل‌سوختي خورانده شده و نياز به بهسازي پيچده كاتاليزور ندارد. علاوه بر آن ذخيره اسيدفرميك، بسيار آسان‌تر و مطمئن‌تر از هيدروژن است، زيرا به دليل مايع بودن اسيدفرميك در دما و فشار استاندارد، نياز به فشار بالا و (يا) دماي پايين ندارد.

دو مزيت مهم باعث استفاده از اسيدفرميك به جاي متانول مي‌شود. اولاً، اسيدفرميك از غشاء پليمر نمي‌گذرد و بنابراين نسبت به متانول بازده بالاتري دارد. ثانياً، اگر اسيدفرميك در اثر نشست، به بدن راه يابد همانند متانول باعث نابينايي نمي‌شود.

 

Dfafcها براي توليد انرژي اسيدفرميك و اكسيژن را به دي‌اكسيدكربن و آب تبديل مي‌نمايند. اكسيداسيون اسيدفرميك در آند و برروي يك سطح كاتالزوري صورت مي‌گيرد. به اين تركيب دي‌اكسيدكربن تشكيل شده و پروتن‌ها (h+) براي انجام واكنش با اكسيژن روي لايه كاتاليزوري واقع بر كاتد، از غشاء پليمري مي‌گذرند. الكترون‌ها از طريق يك مدار خارجي از آند به سمت كاتد مي‌رود و انرژي را براي دستگاه خارجي فراهم مي‌كنند.

[M!Zare 48037]

در طي بررسي‌هاي قبل، به دليل اضافه ولتاژ الكتروشيميايي بالاي نشان داده از طريق آزمايش‌ها، اسيد‌فرميك را به عنوان يك سوخت قابل استفاده منسوخ نمودند. اضافه ولتاژ به اين معناست كه قابل استفاده بودن واكنش بسيار مشكل مي‌باشد.

 

اگرچه در سال‌هاي اخير، ساير محققين (مخصوصاً گروه RichardMasel) در دانشگاه Illionios در Urbana- Cham Paign دريافتند كه عملكرد پايين استفاده از پلاتين به عنوان كاتاليزور مي‌باشد. در عوض به كارگيري پالاديوم موجب عملكرد بهتر اين پيل‌ها نسبت به پيل‌هاي سوختي مستقيم متانولي معادل مي‌شود.

 

Tekion مجوز انحصاري براي تكنولوژي پيل‌سوختي اسيدفرميك را از دانشگاه Illionios در Urbana- Champaign گرفت. اين شركت به پيشبرد يك واحد پيل‌سوختي/ باتري هيبريدي كوچك پرداخت و آن را Formira Power Pack ناميد كه به‌جاي منابع الكتريكي معمول، در آن از پيل‌سوختي استفاده مي‌شود. زماني كه سوخت تخليه مي‌شود،‌ مصرف كنندگان به سادگي محفظه قابل انتقال سوخت خالي را با محفظه‌اي جديد جايگزين مي‌نمايند. در اين پيل به دليل دانسيتيه تواني بالا، زمان شارژ مجدد به ميزان 2 برابر افزايش يافته است و همان‌گونه كه انتظار مي‌رود تنها %15-10 هزينه، بيشتر از باتري‌هاي معمول دارد.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی هیبرید فلزی

 

پيل‌هاي‌سوختي هيبريد فلزي (MHFC)، زير مجموعه‌اي از پيل‌هاي‌سوختي قليايي بوده و هنوز در مراحل تحقيق و توسعه قرار دارند. ويژگي برجسته اين پيل‌ها توانايي براي برقراري پيوند هيدروژني و ذخيره هيدروژن درون سل است. اين ويژگي با پيل‌هاي‌سوختي بُرُ هيبريد مشترك است و تنها تفاوت آن‌ها سوخت‌گيري مجدد MHFCها با هيدروژن خالص مي‌باشد. با وجود كمتر بودن ويژگي جذب هيبريدهاي فلزي (حدود 2%)، نسبت به برهيبريدهاي سديم و ساير هيبريدي فلزي سبك (حدود 8/10%) نمونه‌هاي آزمايشي ساخته شده از اين پيل‌ها داراي خواص جالب توجهي مي‌باشند:

• توانايي شارژ مجدد با انرژي الكتريسيته (مشابه با باتري‌هاي NIMH)؛

• دماي عملياتي پايين (زير ºC20-)؛

• سينيتيك سريع؛

• خواص "شروع سرد" سريع؛

• توانايي عمل در دوره‌هاي محدود زماني بدون منبع خارجي؛

• توانايي "مبادله گرم" محفظه سوخت.

تا به حال مطالعه روي پيل‌هاي‌سوختي هيبريد فلزي توسط ECD Ovonics و انسيتوي ملي علوم و صنايع تجاري پيشرفته (AIST) ژاپن مورد بررسي قرار گرفته و با وجود شباهت‌هاي بسيار، كاتاليزرهاي مصرفي در اين دو تحقيق متفاوت است.

تاكنون، هيچ پروژه تحقيقاتي توليد مدلي غير از مدل‌هاي آزمايشگاهي ننموده است. و بنابراين در راه پيشرفت اين پيل‌ها موانع بسياري وجود دارد. پيل‌هاي تهيه شده توسط Ovonics و AIST، به ترتيب تنها ايجاد دانسيتيه MA/CM2 250 و MA/CM2 20 مي‌نمايند كه اين ميزان براي پيل‌هاي PEMFC برابر با A/CM2 1 مي‌باشد.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی احیا کننده

 

پيل‌سوختي احياء كننده يا پيل‌سوختي معكوس (rfc)، يك پيل‌سوختي معكوس مي‌باشد كه مي‌تواند در يك حلقه بسته عمل نموده و برخلاف پيل‌سوختي استاندارد الكتريسيته و ماده شيميايي b را براي توليد ماده a، مصرف نمايد. به صورت تئوري، تمامي پيل‌هاي‌سوختي مي‌توانند به صورت معكوس عمل نمايند اما در عمل ايجاد سيستم‌هاي كارآمدي نمي‌كنند.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی متانولی بهسازی شده

 

پيل‌سوختي متانولي بهسازي شده (rmfc) يا پيل‌سوختي متانولي غير مستقيم (imfc)، زير مجموعه‌اي از پيل‌هاي سوختي تبادل پروتن مي‌باشند كه سوخت آن‌ها (متانول (ch3oh)) پيش از خورانده شدن به پيل، بهسازي مي‌شوند. سيستم‌هاي rmfc، نسبت به سيستم‌هاي پيل‌سوختي مستقيم (dmfc)، داراي مزايايي مي‌باشند كه شامل بازده بالاتر، توده‌هاي كوچكتر سل، عدم مديريت آب، عملكرد بهتر در دماي پايين، و ذخيره‌سازي در درماي زير صفر،‌ به دليل مايع بودن متانول از cº 97- تا cº 7/6،‌ است. سيستم‌هاي rmfc در دماي بالاتري عمل مي‌كنند و بنابراين نياز بيشتري به مديريت گرما و عايق دارند. محصولات باطله در اين پيل‌هاي‌سوختي آب و دي‌اكسيد كربن است.

 

در اين پيل‌ها متانول به عنوان سوخت مصرف مي‌شود،‌ زيرا به‌طور طبيعي هيدروژن چگال (يا حمل كننده هيدروژن) است و مي‌تواند در مقايسه با ساير پيل‌هاي هيدروكربني در دماهاي پايين توسط بخار به هيدروژن بهسازي شود. علاوه‌بر آن،‌متانول به صورت طبيعي زيست تخريب‌پذير و انرژي چگال مي‌باشد.

 

سيستم‌هاي rmfc شامل سيستم فرآوري سوخت (fps)، پيل‌سوختي، كارتريج سوختي و bop (تعادل دستگاه) مي‌باشند.

كاتريج سوختي، سوخت متانول را كه معمولاً تا 40% حجمي توسط آب رقيق شده است را ذخيري مي‌نمايد.