دانلود مقاله معرفی پیل سوختی - تاریخچه پیل سوختی

اگر چه پیل‌سوختی به تازگی به عنوان یکی از راهکارهای تولید انرژی الکتریکی مطرح شده است ولی تاریخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر می‌گردد. او اولین پیل‌سوختی را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.
واژه "پیل‌سوختی" در سال 1889 توسط لودویک مند و چارلز لنجر به کار گرفته شد. آنها نوعی پیل‌سوختی که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف می‌کرد، ساختند. تلاش‌های متعددی در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیل‌سوختی انجام شد که به دلیل عدم درک علمی مسئله هیچ یک موفقیت آمیز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.
فصلی دیگر از تاریخچه تحقیقات پیل‌سوختی توسط فرانسیس بیکن از دانشگاه کمبریج انجام شد. او در سال 1932 بر روی ماشین ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسیاری انجام داد. این اصلاحات شامل جایگزینی کاتالیست گرانقیمت پلاتین با نیکل و همچنین استفاده از هیدروکسیدپتاسیم قلیایی به جای اسید سولفوریک به دلیل مزیت عدم خورندگی آن می‌باشد. این اختراع که اولین پیل‌سوختی قلیایی بود، “Bacon Cell” نامیده شد. او 27 سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیل‌سوختی کامل وکارا ارائه نماید. بیکون در سال 1959 پیل‌سوختی با توان 5 کیلووات را تولید نمود که می‌توانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری را تامین نماید.
تحقیقات جدید در این عرصه از اوایل دهه 60 میلادی با اوج گیری فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مرکز تحقیقات ناسا در پی تامین نیرو جهت پروازهای فضایی با سرنشین بود. ناسا پس از رد گزینه‌های موجود نظیر باتری (به علت سنگینی)، انرژی خورشیدی(به علت گران بودن) و انرژی هسته‌ای (به علت ریسک بالا) پیل‌سوختی را انتخاب نمود.
تحقیقات در این زمینه به ساخت پیل‌سوختی پلیمری توسط شرکت جنرال الکتریک منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضایی Gemini استفاده نمود که اولین کاربرد تجاری پیل‌سوختی بود.
پرت و ویتنی دو سازنده موتور هواپیما پیل‌سوختی قلیایی بیکن را به منظور کاهش وزن و افزایش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضایی آپولو به کار بردند. در هر دو پروژه پیل‌سوختی بعنوان منبع انرژی الکتریکی برای فضاپیما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پیل‌های سوختی برای فضانوردان آب آشامیدنی نیز تولید می‌کرد. پس از کاربرد پیل‌های سوختی در این پروژه‌ها، دولت‌ها و شرکت‌ها به این فن‌آوری جدید به عنوان منبع مناسبی برای تولید انرژی پاک در آینده توجه روزافزونی نشان دادند.
از سال 1970 فنآوری پیل‌سوختی برای سیستم‌های زمینی توسعه یافت. تحریم نفتی از سال1973-1979 موجب تشدید تلاش دولتمردان امریکا و محققین در توسعه این فن‌آوری به جهت قطع وابستگی به واردات نفتی گشت.
در طول دهه 80 تلاش محققین بر تهیه مواد مورد نیاز، انتخاب سوخت مناسب و کاهش هزینه استوار بود. همچنین اولین محصول تجاری جهت تامین نیرو محرکه خودرو در سال1993 توسط شرکت بلارد ارائه شد.
انواع پیل‌سوختی و خصوصیات هر یک در جدول زیر مشخص است.
پیل سوختی قلیایی پیل سوختی
متانولی پیل سوختی
کربنات مذاب پیل سوختی
اسید فسفریک پیل سوختی
پلیمری پیل سوختی
اکسیدجامد
الکترولیت هیدروکسید پتاسیم غشاء پلیمری مایع کربنات مذاب ثابت مایع اسید فسفریک ثابت غشاء تعویض یونی سرامیک
دمای عملیاتی 90-60 130-60 650 200 80 1000
بازده 60-40% 40% 60-45% 40-35% 60-40% 65-50%
توان تولیدی تا 20 کیلووات کمتر از 10 کیلووات بیش از یک مگاوات بیش از 50 کیلووات تا 250 کیلووات بیش از 200 کیلووات
کاربرد زیر دریایی و فضایی کاربردهای قابل حمل نیروگاهی نیروگاهی وسائل نقلیه، نیرو گاهی کوچک نیروگاهی

کارکرد و اهمیت پیل سوختی

شناخت کلی پیل‌سوختی
پیل‌‌سوختی نوعی سل الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی حاصل از واکنش را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سازه و بدنه اصلی پیل‌سوختی از الکترولیت، الکترود آند و الکترود کاتد تشکیل شده است. نمای کلی یک پیل‌سوختی به همراه گازهای واکنش دهنده و تولید شده و مسیر حرکت یونها در شکل ارائه شده است.
پیل سوختی یک دستگاه تبدیل انرژی است که به لحاظ نظری تا زمانی که ماده اکسید کننده و سوخت در الکترودهای آن تأمین شود قابلیت تولید انرژی الکتریکی را دارد. البته در عمل استهلاک، خوردگی و بد عمل کردن اجزای تشکیل دهنده، طول عمر پیل‌سوختی را کاهش می‌دهد.
در یک پیل‌سوختی، سوخت‌ به طور پیوسته به الکترود آند و اکسیژن به الکترود کاتد تزریق می‌شود و واکنش‌های الکتروشیمیایی در الکترودها انجام شده و با ایجاد پتانسیل الکتریکی جریان الکتریکی برقرار می‌گردد. اگرچه پیل‌سوختی اجزاء و ویژگیهای مشابه یک باطری را دارد اما از بسیاری جهات با آن متفاوت است. باطری یک وسیله ذخیره انرژی است و بیشترین انرژی قابل استحصال از آن به وسیله میزان ماده شیمیایی واکنش دهنده که در خود باطری ذخیره شده است (عموماً در الکترودها) تعیین می‌شود. چنانچه ماده واکنش دهنده در باطری کاملاً مصرف شود، تولید انرژی الکتریکی متوقف خواهد شد (باطری تخلیه می‌شود). در باطری های نسل دوم ماده واکنش دهنده با شارژ مجدد، دوباره احیا می‌شود که این عمل مستلزم تأمین انرژی از یک منبع خارجی است. در این حالت نیز انرژی الکتریکی ذخیره شده در باطری محدود و وابسته به میزان ماده واکنش دهنده در آن خواهد بود.
گاز‌ اکسید کننده نظیر هوا یا اکسیژن خالص در الکترود کاتد که با صفحه الکترولیت در تماس است جریان پیدا می‌‌کند و با اکسیداسیون الکتروشیمیایی سوخت که معمولاً هیدروژن است و با احیاء اکسید کننده انرژی شیمیایی گازهای واکنش‌گر به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
از نظر تئوری، هر ماده‌ای که به صورت شیمیایی قابل اکسید شدن باشد و بتوان آن را به صورت پیوسته (به صورت سیال) به پیل‌سوختی تزریق کرد، می‌تواند به عنوان سوخت در الکترود آند پیل‌سوختی مورد استفاده قرار گیرد. به طور مشابه ماده اکسید کننده سیالی است که بتواند با نرخ منا‌‌سبی احیا شود.
گاز هیدروژن به دلیل تمایل واکنش دهندگی بالا به همراه چگالی انرژی بالا به عنوان سوخت ایده‌آل در پیل‌سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هیدروژن را می‌توان از تبدیل هیدروکربن‌ها از طریق واکنش ‌کاتالیستی، تولید و به صورتهای گوناگون ذخیره سازی‌کرد. اکسیژن مورد نیاز در پیل‌سوختی به طور مستقیم از هوا تهیه می‌شود. بر روی سطح الکترودهای آند و کاتد پیل‌سوختی واکنش اکسیداسیون و احیاء در ناحیه سه فازی (و در صورت جامد بودن الکترولیت دو فازی) نزدیک سطح مشترک واکنش دهنده‌ها، کاتالیست و الکترولیت صورت می‌گیرد. این ناحیه سه فازی نقش مهمی در عملکرد الکتروشیمیایی پیل‌سوختی به ویژه پیل‌های‌سوختی با الکترولیت مایع دارد. در اینگونه پیل‌های‌سوختی، گازهای واکنش دهنده از میان یک لایه نازک از الکترولیت که سطح الکترودهای متخلخل را پوشانده است عبور کرده و واکنش الکتروشیمیایی مناسب روی سطح الکترود مربوطه انجام می‌شود. چنانچه الکترود متخلخل حاوی مقادیر بیش از حد الکترولیت باشد الکترود در اصطلاح غرق flood)) شده و به این ترتیب انتقال واکنشگرهای گازی محلول در الکترولیت به مکان‌های واکنش محدود می‌شود. در نتیجه عملکرد الکتروشیمیایی الکترود متخلخل تضعیف می‌شود لذا ضروری است که در ساختار الکترودهای متخلخل یک تعادل مناسب بین الکترود، الکترولیت و فاز گازی ایجاد شود.
تلاش‌های اخیر جهت بهبود عملکرد واکنش الکترو‌شیمیایی، کاهش هزینه‌های تولید، کاهش ضخامت اجزای پیل‌سوختی و در عین حال اصلاح و بهبود ساختار الکترودها و فاز الکترولیت متمرکز شده است. الکترولیت با هدایت یون‌ها بین الکترودها سبب تکمیل مدار الکتریکی پیل‌سوختی می‌شود. الکترولیت یک مانع فیزیکی بین سوخت و گاز اکسیژن ایجاد می‌کند و مانع اختلاط مستقیم آنها می‌شود. وظیفه صفحات الکترود متخلخل در پیل‌سوختی شامل موارد زیر است:
1ـ ایجاد یک سطح فعال و مناسب که واکنش های الکتروشیمیایی روی این سطوح انجام می‌شود.
2ـ هدایت یونهای حاصل از واکنش به داخل یا خارج از ناحیه تبادل سه فازی و انتقال الکترون‌های تولیدی به مدار خارجی (الکترودها باید هدایت الکتریکی خوبی داشته باشد).
برای افزایش سطح تماس واکنش دهنده‌ها با کاتالیست لازم است که ساختار الکترود، متخلخل بوده و میزان سطح در دسترس و پوشش داده شده توسط کاتالیست نسبت به حجم الکترود زیاد باشد. ساختار متخلخل، دسترسی راحت اجزاء واکنش دهنده به مراکز فعال را میسر می‌سازد.
نرخ واکنش‌های الکتروشیمی با افزایش دما افزایش پیدا می‌کند، لذا خاصیت کاتالیزوری ‌الکترودها در پیل‌های‌سوختی دما پایین از اهمیت بیشتری در مقایسه با پیل‌سوختی دما بالا برخوردار است. الکترودهای متخلخل باید در هر ‌دو طرف تماس با الکترولیت و گازهای واکنش‌دهنده، نفوذ‌پذیر باشند تا حدی که توسط الکترولیت اشباع نشده و بوسیله گازهای واکنش دهنده خشک نشوند.
مزایا و معایب

مزایای پیل سوختی:

پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندان سوختهای فسیلی را حذف نموده و تنها محصول جانبی آن آب می باشد.
• در صورتیکه هیدروژن مصرفی حاصل از الکترولیز آب باشد نشر گازهای گلخانه ای به صفر می رسد.
• بدلیل وابسته نبودن به سوختهای فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی اقتصادی کشورهای ناپایدار اقتصادی را حذف می کند.
• با نصب پیلهای سوختی نیروگاهی کوچک، شبکه غیرمتمرکز نیرو گسترده می گردد.
• پیل های سوختی راندمان بالاتری نسبت به سوختهای فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارد.
• هیدروژن در هر مکانی از آب و برق تولید می گردد. لذا پتانسیل تولید سوخت، غیرمتمرکز خواهد شد.
• اکثر پیلهای سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی صدا هستند.
• انتقال گرما از پیلهای دما پایین بسیار کم می باشد لذا آنها را برای کاربردهای نظامی مناسب خواهد شد.
• زمان عملکرد آنها از باتریهای متداول بسیار طولانی تر است. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفی می توان زمان عملکرد را دو برابر نمود و نیازی به دو برابر کردن خود پیل نمی باشد.
• سوختگیری مجدد پیلهای سوختی به راحتی امکان پذیر می باشد و هیچگونه اثرات حافظه ای بر جای نمی گذارد.
• بعلت عدم وجود اجزای متحرک نگهداری از آنها بسیار ساده می باشد.
• نصب و بهره برداری از پیل های سوختی بسیار ساده و مقرون به صرفه می باشد.
• پیل های سوختی مدولار می باشند یعنی براحتی توان تولیدی از آنها قابل افزایش می باشد.
• این مولدها قابلیت تولید همزمان برق و حرارت را دارند.
• امکان استفاده از سوختهای تجدیدپذیر و سوختهای فسیلی پاک در آنها وجود دارد.
• به میکروتوربین ها متصل می گردند.
• پیل سوختی به تغییر بار الکتریکی پاسخ می دهد.
• پیل سوختی امکان تولید برق مستقیم با کیفیت بالا را دارد.
• دانسیته نیروی بالا دارد.
معایب پیل سوختی :
• سوختگیری پیل های سوختی مشکل اصلی پیلهای سوختی است. تولید، انتقال، توزیع و ذخیره بعلت نبودن زیرساخت مناسب مشکل می باشد.
• تبدیل هیدروکربن به هیدروژن از طریق مبدل هنوز با چالش هایی روبروست و هنوز فن آوری کاملاً پاک نمی باشد.
• برد خودروهای پیل سوختی کوتاهتر و زمان سوختگیری و استارت زدن طولانی تری نسبت به خودروهای متداول دارند.
• پیل های سوختی از باتریهای متداول سنگین تر هستند و محققین در پی کاهش وزن آنها
می باشند.
• تولید پیل سوختی بدلیل نداشتن خط تولید هنوز گران است.
• برخی پیلهای سوختی از مواد گرانقیمت استفاده می کنند.
• این فن آوری هنوز کاملاً توسعه نیافته و محصولات کمی از آن موجود است.
پیل‌سوختی پلیمری

پیل‌های سوختی غشاء پروتون (پلیمری) اولین بار در دهه 1960 برای برنامه Gemini ناسا استفاده شد. این نوع پیل‌سوختی از نقطه‌ نظر طراحی و کارکرد یکی از جذابترین انواع پیل‌سوختی است. پیل‌سوختی پلیمری دارای الکترولیت پلیمری به شکل یک ورقه نازک منعطف است که هادی یون هیدروژن(پروتون)می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت ، از آب اشباع باشد. نفیون یکی از بهترین الکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل‌سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمای پایین 80 درجه سانتیگراد( تقریباً 175 درجه فارنهایت) کار می کند. سایر الکترولیت های جامد در دمای بالا نزدیک به 1000 درجه سانتیگراد کار می‌کنند. در پیل‌سوختی پلیمری واکنش احیاء اکسیژن واکنش کندتر است (این واکنش سه مرتبه کندتر از واکنش اکسید شدن هیدروژن است). کاتالیست مورد استفاده در این پیل‌سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزان کاتالیست مصرفی در الکترودهای این نوع پیل‌سوختی بیشتر از سایر انواع پیل‌سوختی است.
بازده‌ الکتریکی این نوع پیل‌سوختی در حدود %50-40 درصد است. سوخت مصرفی در پیل‌سوختی پلیمری نیازمند هیدروژن خالص است لذا مبدل در خارج پیل‌سوختی جهت تبدیل سوخت‌های متانول و یا بنزین به هیدروژن نیاز است.
میزان دانسیته توانی این نوع پیل‌سوختی بیشتر از انواع دیگر پیل‌سوختی است. محدوده دانسیته توانی در این نوع پیل‌سوختی بین( 600-350) است. طول عمر پیش‌بینی شده برای پیل‌سوختی‌پلیمری بیش از 40000 ساعت است. در این پیل‌سوختی CO سبب سمی‌شدن کاتالیست می‌شود.
واحدهای 50 کیلوواتی اکنون در حال فعالیت و تولید نیرو هستند و واحدهایی تا توان 250 کیلووات نیز در دست توسعه هستند.
در پیل‌سوختی پلیمری سوخت مورد استفاده هیدروژن می‌باشد. ملکول هیدروژن در آند به یونهای پروتون و الکترون یونیزه شده، الکترون‌های آنها جدا می‌شود. یون‌های هیدروژن که شامل بار مثبت هستند (پروتون) به یک سطح غشاء خلل دار نفوذ می‌کنند و به سمت کاتد می‌روند. الکترون‌های جدا شده نمی‌توانند از این غشاء عبور کنند بلکه از یک مدار خارجی عبور کرده و موجب تولید برق می‌شوند. در کاتد الکترون‌ها، پروتون‌های هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب می شوند و آب را تشکیل می‌دهند.واکنش‌ها در الکترودها به شرح ذیل می باشند:
واکنش آند 2H2 => 4H+ + 4e-
واکنش کاتد O2 + 4H+ + 4e- => 2 H2O
واکنش کلی پیل 2H2 + O2 => 2 H2O

به دلیل جامد بودن الکترولیت این پیل‌سوختی و همینطور انعطاف پذیر بودن آن امکان شکستن یا ترک خوردن در آن کم است .
در مقایسه با انواع دیگر پیل‌سوختی ، برای یک حجم و وزن معلوم پیل‌سوختی پلیمری توان بیشتری تولید می‌کند. این نوع پیل‌سوختی به دلیل دمای پائین به زمان کمی برای راه‌اندازی نیاز دارند و همین خصوصیت آن‌ها را بهترین گزینه در کاربردهای وسایل نقلیه بعنوان جایگزین برای موتور احتراق داخلی دیزلی و بنزینی معرفی می‌نماید. همچنین این سیستم ها کاربری مناسبی در زمینه مولدهای خانگی، نیروگاهی کوچک، صنعت حمل ونقل و نظامی دارند

پیل‌سوختی اکسید جامد

توسعه پیل‌سوختی اکسید جامد (SOFC) از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در حال حاضر بالاترین دما را در میان انواع پیل‌سوختی دارد. محدوده دمای عملکرد این پیل600 - 1000 درجه سانتیگراد است و به همین دلیل از انواع سوخت‌ها در آن می‌توان استفاده نمود. این پیل‌سوختی دو ساختار صفحه ای و لوله‌ای دارد و از الکترولیت جامد سرامیکی نازکی به جای الکترولیت مایع استفاده می‌شود.
در دمای عملکرد بالا در پیل‌سوختی اکسید جامد یون‌های اکسیژن (با بار منفی) از شبکه کریستالی(عموماً ترکیبی از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم) عبور می‌کنند. در کاتد ملکول‌های اکسیژن هوا با چهار الکترون ترکیب می‌شوند. وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یون‌های اکسیژن از الکترولیت عبور می‌کند تا سوخت را اکسید کنند. الکترون های ایجاد شده در آند از یک مدار خارجی عبور می کنند و به کاتد می روند. با این کار مدار الکتریکی کامل شده و انرژی برق تولید می‌شود. پیل‌های سوختی اکسید جامد نیاز به مبدل خارجی ندارند. واکنش‌های پیل‌سوختی اکسید جامد به صورت زیر است:
واکنش آند 2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e-
واکنش کاتد O2 + 4 e- => 2 O2-
واکنش کلی پیل 2 H2 + O2 => 2 H2O

پیل‌‌سوختی اکسید جامد راندمانی در حدود 60-45 درصد دارد و میزان دانسیته توان تولیدی در این نوع پیل‌‌سوختی 300-240 است. طول عمر این نوع پیل‌سوختی بیش از 40000 ساعت است. ترکیب این نوع پیل‌سوختی با یک توربین بازده کلی را به 70% افزایش می ‌دهد.
با توجه به دمای بالای کارکرد پیل‌سوختی اکسید جامد، کاربردهای نیروگاهی این نوع پیل‌سوختی بیشتر مدنظر است. دمای بالای کارکرد یک سری مزایای ویژه را برای این نوع پیل‌سوختی به همراه می‌آورد. این مزایا عبارتند از:
1- تنوع در سوخت مورد استفاده(گازی نمودن ذغال، گازهای حاصل از فرایندهای صنعتی و سایر منابع)
2- امکان تبدیل مستقیم سوخت‌های هیدروکربنی بدون نیاز به مبدل سوخت
3- راندمان بالا
4- امکان به کارگیری در مولدهای تواان برق و حرارت(بازیافت حرارتی جهت گرم نمودن فضا و یا توربین بخار جهت ایجاد برق)
دمای بالای کارکرد پیل‌سوختی اکسید جامد و نیاز به مواد گرانقیمت تنوع کاربردها را در این پیل‌سوختی محدود می‌کند ولی از طرف دیگر با افزایش دمای کارکرد امکان تبدیل سوخت در داخل پیل‌سوختی میسر شده و امکان بهره‌برداری موثر از انرژی گرمایی تولید شده نیز بوجود می‌آید.
با توجه به دمای بالای کارکرد پیل‌سوختی اکسیدجامد، این نوع پیل‌سوختی در نیروگاه‌های بزرگ تولید برق و هم چنین نیروگاه‌های سیکل‌ ترکیبی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پیل‌سوختی قلیایی

پیل‌سوختی قلیایی یکی از فن‌آوری‌های توسعه یافته می‌باشد که از اواسط دهه 60 در برنامه آپولو و شاتل‌های فضایی ناسا به‌ کار گرفته شد. پیل‌سوختی در این فضاپیماها هم برق جانبی مورد نیاز و هم آب آشامیدنی را تامین می‌نماید. در این نوع پیل از اکسیژن و هیدروژن استفاده شده و الکترولیت آن نیز عموماً محلول هیدروکسید پتاسیم است.
دمای عملیاتی از 150 تا 220 درجه سانتیگراد متغیر است و غلظت الکترولیت هیدروکسید پتاسیم نیز با دما تغییر می‌کند. الکترولیت مورد استفاده که محلول برپایه آب است معمولاً در یک ماتریس متخلخل (از جنس آزبست) نگهداری می‌شود. بازده این نوع پیل‌سوختی درحدود %70 است و دانسیته توان آن در حد 300-100 است. طول عمر این پیل‌سوختی بیش از 10000 ساعت می‌باشد.
الکتروکاتالیست در پیل‌سوختی قلیایی شامل نیکل، نقره و اکسید‌های ‌فلزات است. در میان پیل‌های ‌سوختی دما پایین، پیل‌ سوختی قلیایی تنها نوعی است که قابلیت کاربرد کاتالیست‌های فلزات معمولی در آن وجود دارد.
در این پیل‌سوختی یون‌های هیدروکسیل (-OH) از کاتد به آند می روند و با هیدروژن واکنش داده و تولید آب و الکترون می‌کنند. الکترون‌های بوجود آمده در آند توسط یک مدار خارجی توان الکتریکی تولید می‌کنند. این مدار خارجی الکترون‌ها را به کاتد باز می‌گرداند. آب تولید شده در آند به کاتد برگشته و در آنجا با الکترون‌ها و اکسیژن واکنش داده و موجب ساخته شدن یون‌های هیدروکسیل بیشتری می‌شوند. این یون‌ها درون الکترولیت نفوذ کرده و واکنش ادامه پیدا می‌کند واکنش‌های شیمیایی در آند و کاتد در ذیل آمده است . براساس این واکنش‌ها پیل‌سوختی الکتریسیته و حرارت را به عنوان محصول جانبی تولید می‌کند.
واکنش آند 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4 e-
واکنش کاتد O2 + 2 H2O + 4 e- => 4 OH-
واکنش کلی پیل 2 H2 + O2 => 2 H2O

از خصوصیات پیل‌سوختی قلیایی حساسیت زیاد آن به CO2موجود در هوا و یا سوخت است. CO2 سریعاً با الکترولیت واکنش داده و موجب کاهش عملکرد پیل‌سوختی می‌گردد. لذا این نوع پیل‌سوختی بایستی در محیط بسته باشد و از اکسیژن و هیدروژن خالص استفاده کند و از واکنش‌های شیمیایی اضافی و ایجاد کربنات جامد جلوگیری ‌شود.
جنبه مثبت پیل‌سوختی قلیایی تولید ارزان است. کاتالیست مورد استفاده در این نوع پیل از مواد متنوعی از قبیل نیکل، نقره و اکسید فلزات است که از کاتالیست‌های سایر پیل‌های سوختی ارزانتر است.
به علت احتمال نشت الکترولیت مایع و حساسیت به آلودگی پیل‌سوختی قلیایی برای کاربردهای حمل و نقلی مناسب نیست. عملکرد یک پیل‌سوختی قلیایی را در شکل می‌بینید.
همچنین به دلیل دمای پایین کارکرد و در نتیجه شروع به کار سریع پیل‌سوختی کاربرد پیل‌سوختی قلیایی به کاربردهای فضایی کوچک و صنایع نظامی خاص محدود می‌شود.
پیل‌سوختی متانولی

پیل‌سوختی متانولی یک فن‌آوری نوظهور است که در آینده بسیار نزدیک در تلفن‌های همراه و Laptop ها به تولید انبوه خواهد رسید. در اویل دهه 90 پیل‌سوختی متانولی بدلیل کارایی و چگالی قدرت پایین و سایر مشکلاتش هنوز مناسب نبود. بهبود در کاتالیست و دیگر پیشرفت‌های ایجاد شده در طی سال‌های اخیر، چگالی قدرت را 20 برابر افزایش داده و کارایی آن را به 40 % رسانیده است. میزان توان گرفته شده از این پیل‌سوختی در حدودmW/Cm2 400-200 است.
پیل‌سوختی متانولی در واقع نوعی پیل‌سوختی پلیمری است با این تفاوت که در این پیل‌سوختی ساختار الکترودها با پیل‌سوختی پلیمری تا حدی متفاوت است و در این نوع پیل متانول مایع به عنوان سوخت مصرف می‌شود. مشکل اصلی در مورد این پیل‌سوختی عبور متانول از غشاء پلیمری است به همین دلیل تحقیقات برروی الکترولیت‌هایی که میزان عبوردهی کمتری دارند متمرکز شده است.
در پیل‌سوختی متانولی یون هیدروژن (پروتون) حامل بار است. در آند متانول مایع با آب اکسید شده و دی اکسید کربن و یون هیدروژن تولید می‌کند. یون‌های هیدروژن از طریق الکترولیت و الکترون‌ها از طریق یک مدار خارجی که عامل ایجاد الکتریسته در سیستم است، به سمت کاتد حرکت می‌کنند. در کاتد یون‌های هیدروژن و الکترون‌ها با اکسیژن واکنش داده و آب تولید می‌شود که مقداری از این آب تولید شده جهت مصرف به سمت آند ارسال می‌گردد. واکنش‌های انجام شده در پیل به شرح ذیل می‌باشد:
واکنش آند CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
واکنش کاتد 3/2 O2 + 6 H+ + 6e- => 3 H2O
واکنش کلی پیل CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + 2 H2O

این پیل‌ها در محدوده دمایی 50 تا 120 درجه سانتی گراد، آزمایش شده‌اند. این دمای کم کارکرد و عدم نیاز به مبدل سوخت، این پیل را نمونه خوبی برای کاربردهای کوچک و متوسط مثل تلفن‌های همراه و دیگر محصولات نظیر آن همچون مولد برق اتومبیل معرفی می‌کند.
پیل‌های ‌‌سوختی متانولی می‌تواند 10 برابر باتری‌های پیشرفته انرژی الکتریکی در اختیار ما قرار دهند و نیاز به شارژ مجدد نخواهند داشت. فقط لازم است که کارتریج حاوی سوخت در این نوع پیل‌های ‌‌سوختی تعویض شود.
دمای پائین این پیل‌ها سبب می‌گردد تا فرایند اکسیداسیون متانول به یون هیدروژن و دی‌اکسیدکربن نیازبه مقادیر بیشتری از کاتالیست و فعالیت بهتر آن داشته باشد.و همین موضوع موجب گرانتر شدن این پیل‌ها می‌گردد.
با توجه به اینکه متانول سمی است برخی شرکت‌ها به توسعه پیل‌های سوختی اتانولی نیز پرداخته‌اند. البته عملکرد پیل‌سوختی اتانولی نصف نوع متانولی است که انتظار می‌رود با ادامه تحقیقات کارایی آنها به هم نزدیک شود.
پیل‌سوختی اسید فسفریک

پیل‌سوختی اسید فسفریک اولین پیل‌سوختی تجاری می باشد که توسعه آن از اواسط دهه 1960 آغاز گشت و از سال 1970 در مرحله آزمایش قرار گرفت و همچنان در حال توسعه در زمینه افزایش پایداری و عملکرد و کاهش هزینه می‌باشد. الکترولیت مورد استفاده در این پیل‌سوختی اسیدفسفریک با غلظتی در حدود %100 می‌باشد. محدوده دمای کارکرد این پیل‌سوختی بین 150 تا 220 درجه سانتیگراد است. هدایت یونی در اسیدفسفریک نسبتاً ضعیف است ولی به علت پایداری بیشتر نسبت به سایر اسیدها جهت استفاده در این نوع پیل‌سوختی ارجحیت دارد. پیل‌سوختی اسیدفسفریک به CO2 حساسیتی نداشته و حضور CO تا حد 2-1 درصد مشکلی ایجاد نمی‌کند. کاتالیست مورد استفاده در پیل‌سوختی اسید فسفریک پلاتین و ماتریسی که برای نگه‌داری اسید به کار می‌رود از جنس کاربید سیلیکون (SiC) است. بازده الکتریکی این نوع پیل‌سوختی در حد 45%-40% است که با استفاده از حرارت حاصل از واکنش‌های الکتروشیمیایی در کاربردهای توامان برق و حرارت میزان بازده کلی (الکتریکی و حرارتی) به 85% افزایش می‌یابد.
اکنون پیل‌های‌سوختی اسیدفسفریک با توان 200 کیلووات مشغول به کار می‌باشد و واحدهایی 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 هیدروژن در آند به پروتون و الکترون تفکیک شده و پروتون از طریق الکترولیت و الکترون از طریق مدار بیرونی به کاتد منتقل می‌شوند. در کاتد الکترون‌ها، یون‌های هیدروژن و اکسیژن واکنش داده و آب تولید می‌گردد. واکنش‌های آند، کاتد و واکنش کلی پیل در ذیل ارائه شده است.
واکنش آند 2 H2 => 4 H+ + 4 e-
واکنش کاتد O2(g) + 4 H+ + 4 e- => 2 H2O
واکنش کلی پیل 2 H2 + O2 => 2 H2O

استفاده از کاتالیت پلاتین سبب افزایش سرعت واکنش‌های آند و کاتد می‌گردد.
تامین هیدروژن مورد نیاز برای پیل‌سوختی اسیدفسفریک با به کارگیری یک مبدل خارجی انجام می‌گیرد که در آن سوخت هیدروکربن به هیدروژن تبدیل می‌شود. وجود گوگرد حتی در کمترین مقدار موجب صدمه دیدن کاتالیست می‌شود. از این رو جداسازی کامل سولفور از سوخت هیدروکربنی مصرفی امری ضروری می‌باشد. گرمای بوجود آمده در پیل‌سوختی اسیدفسفریک می‌تواند در کاربرد ترکیبی 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.
یکی از مهمترین کاربردهای پیل‌سوختی اسیدفسفریک، در مصارف (on-site) یا نیروگاه‌های غیر متمرکز نصب شده در محل مصرف است که در زمان حاضر یکی از موثرترین کاربردهای این گونه پیل‌های‌سوختی است. در این حالت مولد پیل‌سوختی اسیدفسفریک به طور مستقیم در محل مصرف نصب می‌شود و از حرارت و الکتریسیته تولیدی به طور همزمان استفاده می‌گردد.
پیل‌سوختی اسید فسفریک اولین تکنولوژی پیل‌سوختی است که به صورت تجاری در دسترس قرار گرفته است. سیستم‌هایی از این نوع که در حال حاضر در دسترس هستند در خانه‌ها و هتل‌ها و بیمارستان‌ها وبرخی واحدهای الکتریکی نصب شده است. بعضی از این واحدها دارای مشخصات تجاری بوده و ضمانت سازندگانشان را به همراه دارند. به طور مثال سیستمی که در شکل مشاهده می‌شود یک سیستم 200 کیلووات از شرکت ONSI است که از سال 1997 در واحد تصفیه‌خانه فاضلاب در نیویورک نصب شده است.
پیل های سوختی هوا- روی

در یک پیل‌سوختی هوا-روی معمولی یک الکترود نفوذ گاز(GDE) و یک آند روی وجود دارد که توسط الکترولیت و بعضی جداکننده‌های مکانیکی از یکدیگر جدا شده‌اند.GDE یک غشاء تراوش‌پذیر است که اکسیژن با فشار اتمسفر را از خود عبور می‌دهد. پس از تبدیل اکسیژن به یون‌های هیدروکسیل و آب، یون‌های هیدروکسیل با عبور از الکترولیت به آند روی می‌رسند.
در آند یون‌های هیدروکسیل با روی واکنش داده و اکسید روی تشکیل می‌دهند. در این فرایند پتانسیل الکتریکی تولید می‌شود.
هنگامی که یک دسته از پیل های هوا- روی به هم متصل شوند، پتانسیل الکتریکی حاصل از ترکیب این پیل‌ها می‌تواند به عنوان یک منبع توان الکتریکی استفاده شود. این فرایند الکتروشیمیایی بسیار شبیه یک پیل‌سوختی پلیمری است اما سوختگیری آن متفاوت است و ویژگی‌های اختصاصی باتری‌ها را شامل می شود. پیل‌سوختی هوا- روی شامل مخزن سوخت روی و یک یخچال روی است که بطور اتوماتیک و بدون صدا سوخت را تولید می‌کند.
در سیستم حلقه بسته وقتی روی و اکسیژن در حضور الکترولیت مخلوط می‌شوند(مانند پیل‌سوختی پلیمری) و اکسید روی تشکیل می‌دهد، برق تولید می‌شود. بعد از اتمام سوخت، سیستم به یک شبکه متصل شده و فرایند معکوس می‌گردد. نکته کلیدی این است که فرایند معکوس برای کامل شدن تنها 5 دقیقه زمان می گیرد.
مزیت مهم فن‌آوری هوا- روی نسبت به سایر فن‌آوری باتری، انر‍ژی مخصوص بالا است. هنگامی که پیل‌سوختی هوا- روی به عنوان نیرو محرکه خودروهای برقی استفاده می‌شود، برد بیشتری را نسبت به باتری با وزن مشابه نشان دادند.
علاوه بر این به جهت فراوانی روی در زمین هزینه مواد برای پیل‌سوختی هوا- روی و باتری‌های هوا- روی بسیار پایین می‌باشد. بنابراین فن‌آوری هوا- روی مستعد جهت کاربردهای وسیعی نظیر خودروهای برقی،مصرف کننده‌های الکترونیکی تا کاربردهای نظامی است. شرکت Powerzinc در کالیفرنیای جنوبی در حال حاضر فن‌آوری هوا- روی خود را برای برخی کاربردها به مرحله تجاری رسانده است.
پیل‌سوختی کربنات مذاب

پیل‌سوختی کربنات مذاب (MCFC) کاملاً متفاوت از سایر انواع پیل‌سوختی عمل می‌‌نماید. الکترولیت این پیل‌ها ترکیبی از مذاب کربنات نمک‌ها می‌باشد. دو نوع ترکیبی که اکنون بیشترین کاربرد را دارند ترکیب کربنات سدیم و کربنات لیتیم و یا کربنات پتاسیم و کربنات لیتیم می‌باشند که در ماتریسی از جنس LiAlO2 نگهداری می‌شود. بواسطه دمای کارکرد بالا این نوع پیل‌سوختی، نیکل به عنوان آند و اکسید نیکل به عنوان کاتد استفاده می‌شود و نیازی به استفاده از فلزات کمیاب در الکترودهای این پیل‌سوختی نیست.
برای ذوب کربنات نمک و دستیابی به هدایت یون بهتر در الکترولیت، پیل‌سوختی کربنات مذاب دمای بالا ( 600تا700 درجه سانتیگراد )کار می‌کند. از این رو این پیل‌ها در خانواده پیل های سوختی دما بالا طبقه‌بندی می‌شوند.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله 26  صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید