DAFCS Direct Alcohol Fuel cells پیل سوختی الکلی مستقیم
فصل اول
مقدمه
فصل اول: مقدمهای بر پیلهای سوختی
مقدمه
امروزه در استفاده از سوختهای فسیلی که ۸۰ درصد انرژی زمین را تأمین می‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوختهای فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و … هستند [۱].
در اوایل سال ۱۹۷۰ استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوختهای فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پربازده‌ترین سوخت بهحساب می آید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیلهای سوختی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. علاوه بر این سوخت، سوختهای دیگری نیز همچون الکل‌ها بهخصوص متانول و اتانول به دلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آنها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.
۱-۲- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. معمولاً فرایند تولید انرژی الکتریکی از سوختهای فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است :
احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل می کند.
گرمای تولید شده برای به‌جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده می شود.
بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرایند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.
انرژی مکانیکی باعث راه اندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی می شود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، بهعبارت دیگر بهجای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می‌شود (شکل۱-۱).
موتور احتراق داخلی
انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی
پیل سوختی
انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
شکل ۱-۱- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوختهای فسیلی با روند تولید انرژی در پیلهای سوختی.
نکته مهم دیگر که به آن میتوان اشاره داشت این است که این پیلها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و بههمین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آنها بالا میباشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیلهای سوختی که با هیدروژن کار می کنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آنها هوای اضافی و آب میباشد. این ویژگی نیز باعث شده پیلهای سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگیهایی از جمله دیاکسید‌کربن تولید می شود، ولی مقدار این آلودگیها کمتر از آلودگیهایی است که وسایل معمول تولید انرژی به وجود میآورند.
وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی میتوان آن را از الکترولیز آب یا سوختهای هیدروکربنی بهدست آورد.
عدم وجود بخشهای متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایدهآل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن میرسد می‌تواند بی‌نهایت باشد.
وزن و اندازه.
پیلهای سوختی در ظرفیتهای متفاوتی ساخته می شود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث می شود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
آلودگی صوتی بسیار پایین.
راندمان بالا نسبت به فناوری‌های دیگر [۲].
۱-۳- تاریخچه
در سال ۱۸۳۹ ویلیام گرو[۱] فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل ۱-۲). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته بهکار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل میکرد [۱].
شکل۱ -۲- پیل سوختی اولیه ساخته شده [۱].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال ۱۸۸۹ بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند[۲] و چارلز لنجر[۳] ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاشهایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال ۱۹۹۵ پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
از سال ۱۹۶۰ سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیلهای مزبور در سفینههای جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فنآوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو بهکار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال ۱۹۷۰ توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایه گذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فنآوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده میشد بهعنوان پیشرو این صنعت در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال ۲۰۰۰ میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهره برداری قرار گرفت که توان پرواز طولانی (شش ماه) بدون وقفه را دارد.
پیشرفت‌های بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیلها و افزایش بازده کارآیی آنها میباشد تا این پیلها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند [۲].
۱-۴-کاربردهای پیل سوختی
در شکل (۱-۳) منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای مورد استفاده از هیدروژن و سهم هر یک به صورت شماتیک رسم شده است.
شکل ۱-۳- منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن [۳].
همان‌طوریکه در شکل ۱-۴ مشخص است، میتوان کاربردهای پیل سوختی را به سه بخش کاربرد وسایل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسایل متحرک و کاربردهای نیروگاهی تقسیم نمود.
شکل ۱-۴- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی [۳].
۱-۵- انواع پیل سوختی
پیلهای سوختی بر اساس نوع الکترولیت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلی زیر طبقه بندی می‌شوند [۴]:
پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
پیل سوختی قلیایی
فرم در حال بارگذاری ...
