دانلود مقاله جایگاه انرژیهای نور درتامین انرژی قرن آتی

بخشی از مقاله

جایگاه انرژیهای نور درتامين انرژي قرن آتي

مقدمه

اگر وضعيت فعلي رشد جمعيت ادامه يابد، پيش بيني مي شود جمعيت جهان در اوائل قرن حاضر به هفت ميليارد نفر مي رسد .

در عين حال منابع انرژي متداول در حال اتمام بوده و ممكن است تا اوايل قرن ٢١ به پايان برسد . استفاده از انرژي هسته اي كه منابع آن نيز محدود بوده ومستلزم تربيت نيروي انساني ماهر و نيز استفاده از سيستم هاي پيشرفته حفاظتي در برابر ضايعات راديواكتيو است ،كفايت انرژي جهان را نخواهد داد.

پيش بيني مي شود كه انرژي خورشيدي و انرژي  بادي وغيره ، جايگاه ويژه اي رادرتامين انرژي قرن آتي كسب نمايند.

استفاده از انرژی در پیشرفت تمدن امری طبیعی و اساسی است و به عنوان یک پایه برای حیات مطرح می باشد. انرژی به عنوان یک عنصر اصلی برای هر فعالیت اقتصادی لازم است و چنانچه افزایش مصرف انرژی در راستای کمک به بالا رفتن مرتبه رشد اقتصادی که باعث ایجاد استانداردهای بالاتر زندگی و کیفیت بهتر زندگی برای جمعیت رو به رشد جهانی باشد، مفید بوده و هر کجا که استفاده از انرژی باعث محدود کردن رشد اقتصادی و کیفیت زندگی گردد، مضر محسوب می شود. به عبارت دیگر هنگامی که افزایش استفاده از انرژی همراه با محدودیت های اکوانرژی باشد رشد را محدود می کند زیرا در این حالت منابع طبیعی و رشد اقتصادی ناپایدار است.

مفهوم اکوانرژی در واقع از مباحث اقتصاد و محیط زیست ناشی می شود که سیستمهای مختلف انرژی را از جهات اقتصادی و محیط زیستی بررسی و مقایسه می کند. محدودیتهای اکوانرژی که در این جا بدان اشاره می گردد شامل محدودیتهای زیست محیطی که باعث پایین آمدن استانداردهای زندگی می شود، می باشد. محدودیتهای سیاسی که در واقع باعث بحرانهای منطقه ای می شوند نیز به عنوان زیرمجموعه ای از محدودیتهای اکوانرژی به حساب می آیند.

نیاز قرن بیست و یکم پایدار شدن است . این مفهوم پایداری شامل نرخ پایدار افزایش جمعیت، پایداری مصرف انرژی و اقتصاد پایدار می باشد.

توسعه پایدار با اقتصاد پایدار معنی مي یابد و اقتصاد پایدار باید توسط سیستم های انرژی که بازده بیشتر و قیمت پایین تر دارند و همچنین پاکیزه هستند یعنی سیستمهای انرژی که اقتصادی تر و قابل رقابت تر با سایر انرژیها بوده و افراد بیشتری را به کار گرفته و باعث کاهش اثرات نامطلوب زیست محیطی میگردند، تأمین شود. در جهان امروز با نرخ افزایش جمعیت بالا، رشد اقتصاد پایدار فقط از طریق دسترسی به سیستم های انرژی که بتواند به محدودیت های سایر انرژیها فائق آید امکان پذیر است و نکته قابل توجه اینجاست که بشر در راه رسیدن به چنین هدفی است، اما نکته منفی پراکنده بودن فعالیت روی این موضوع و مقاومتهای سیاسی و اقتصادی بسیار زیاد در راه آسا ن سازی این گذر انرژی مفید جهانی است. گذر از یک انرژی به نوع دیگر آن همواره همراه با یک سابقه تاریخی و مفاهیم جدانشدنی ا قتصاد و محیط زیست قابل بررسی است . برای شناخت محدودیتهای سایر منابع انرژی لازم است تا دو مورد فوق الذکر در مورد آنها بررسی گردد.

اولین بار استفاده از انرژی با استفاده از چوب رونق گرفت و در ابتدا اقتصاد چوب پایدار به نظر می رسید چون منابع جنگلی فراوان بودند و جمعیت جهانی نیز نسبتاً کم بود . اما هنگامی که تکنولوژی پیشرفت نمود و درخواست انرژی برای صنعت ذوب آهن و سایر صنایع افزایش یافت، جنگلها رو به نابودی گذاشت و قیمت چوب افزایش یافت . در واقع رشد اقتصادی با توجه به عدم در دسترس بودن منابع و افزایش قیمت محدود گردید.

در این زمان بشر اندیشه دیگری در راستای تکنولوژی استفاده از انرژی با بازده بیشتر رابا ارائه زغال سنگ، ابداع نمود . این گذر انرژی باعث پیشرفت هایی شد . در این سالها لوکوموتیو و موتورهای جدیدی که بتوانند از این سوخت جدید استفاده نمایند ساخته شد . بنابراین در قرن  19 منبع انرژی دیگری که مؤثرتر از چوب بود معرفی گردید و باعث بوجود آمدن یک رشد اقتصادی که افراد بیشتری از آن بهره می بردند گردید . این پیشرفت به همراه بازده اقتصادی بیشتر، محصولات متنوع و نیروی کار بیشتر و قیمت پایین محصولات باعث بوجود آمدن انقلاب صنعتی گردید . پس از گذشت زمان، انقلاب صنعتی باعث پایین آمدن سطح کیفی زندگی عده زیادی از مردم گردید. محدودیتهای اکوانرژی زغال سنگ به شرح زیر مطرح شد:

• محدود شدن رشد اقتصاد
• بوجود آمدن ابرقدرتهای اقتصادی
• قیمت بالا نسبت به میزان آلایندگی
• پایین آمدن کارآیی نیروی کار ) در اثر آلودگی هوا)

با محدودیتهای فوق مفهوم پایداری اقتصاد زغال سنگ زیر سؤال رفت . بنابراین تکنولوژی جدید یکبار دیگر یک گذر انرژی را تجربه نمود و به سمت سوخت پیشرفته تر بعدی متوجه گردید و نفت به عنوان یک سوخت جدید به سمت اقتصادی شدن حرکت کرد.

نفت با %75 کربن، تمیزتر و قابل حمل  تر بوده و بازده بیشتری نسبت به سوختهای قبلی داشت. بنابراین به تدریج جایگزین سوختهای قبلی گردید . بطور کلی استفاده از انرژی در سیستم های اقتصادی، در زیر ساخت ها و حتی رفتارهای روزمره افراد نفوذ می نماید و از این رو تغییر انرژی به کندی صورت می  گیرد. اگر چه همیشه مزیت های اقتصادی بر مقاومتهای سیاسی غلبه پیدا می کند اما تغییر انرژی آخرین اقدامی است که شامل قانون فوق میشود.

در سالهای استفاده از نفت ماشین های حفاری، پالایشگاهها و موتورهای احتراق داخلی به عنوان بخشی از انقلاب نفت توسعه و کاربرد می یابند و یک بار دیگر یک گذر انرژی به سمت انرژی ارزانتر با بازده بیشتر که در آن کارآیی افراد بالاتر بوده و قیمت خدمات را می کاهد و جمعیت جهان را به سمت یک منبع اقتصادی جدید که کیفیت زندگی را ارتقاء می دهد، سوق می دهد.

 در حالی که از نفت به عنوان انرژی جدید استفاده می گردد، سیر تحقیقات برای گذر از سیستم های انرژی آلوده ساز و مشکل سازتر به سمت سوختهای پاک تر که از نظر شیمیایی ساده تر و از نظر اقتصادی پایدارتر باشند ادامه مي يابد.

همانند انرژیهای قبلی با رایج شدن و استفاده زیاد از نفت محدودیت های اکوانرژی باعث کاهش سطح زندگی و محدودکردن رشد اقتصادی شد.

محدودیت های اکوانرژی نفت در طول چند دهه گذشته به شرح زیر است:

• افزایش ناگهانی و شدید تورم
• نیاز به دلارهای نفتی قابل برگشت که باعث انتقال بحران به کشورهای توسعه نیافته گردید.
• جنگ خلیج فارس و سایر استراتژی های سیاسی و جنگی وابسته به نفت که باعث کسر بودجه های مکرر کشورها گردید.
• آلودگی جهانی دریاها و هوای اکثر شهرها به ویژه شهرهای بزرگ

بنابراین محدودیتهای اکوانرژی نفت باعث یک گذر دیگر انرژی به سمت انرژی پا ک تر با ماهیت شیمیایی ساد ه تر، بازده بیشتر یعنی گاز طبیعی، گردید . درابتداهم کاوشگران نفتی و هم سیاستمداران بر این باور بودند که گازطبیعی دارای منابع کمیاب و رو به کاهش است اما در واقع این نفت بود که رو به کاهش داشت و گازطبیعی با سرعتی که به مراتب بیش از سایر سوختها بود رشد کرد و ثابت گردید که منابع گازطبیعی اکتشاف شده هماهنگ با سرعت کاربرد وسیعشان، توسعه می یابند. در واقع ما از سوخت چوب و زغا ل سنگ با %100 کربن و احتراق آلوده و تکنولوژی متمرکز به سمت نفت با %75 کربن که مایع است و حمل و نقل ساده ای دارد و سپس به سمت گازطبیعی با %50کربن و احتراق پاک تر و تکنولوژی غیربومی و با سرمایه متمرکز حرکت کرده ایم و طبیعی است که جهت توسعه سریع تر توجه بیشتری به آن معطوف گردد . در این سالها کاربرد گازطبیعی برای تولید الکتریسیته در

توربین های گازی و پیلهای سوختی، استفاده از آن به عنوان سوخت ماشین ها، کاربرد در منازل ترویج شده است . گذر از نفت به گازطبیعی از سایر گذرهای قبلی اساسی تر بود و برای جمعیت جهان پایداری اقتصادی بیشتر و کیفیت بهتر زندگی را به ارمغان آورد . زیرا با توجه به پاکیزگی نسبی و فراوانی گازطبیعی اقتصاد آن پایدارتر به نظر می رسد. گذر از انرژی چوب به زغا ل سنگ و از آن به نفت و از نفت به گازطبیعی چر خه های کوتاه مدتی هستند، هرچند که هرکدام از آنها حدود 60 سال به طول انجامیده اند امانسبت به جریان نسلها این زمان را می توان کوتاه انگاشت . در واقع در طول زمان از نقطه نظر سیاسی، اقتصادی و زیست محیطی یا در واقع دیدگاه اکوانرژی، بشر همواره نیازمند یک منبع بزرگ تر، ساده تر و قابل

استفاده در زمانهای طولانی تر بوده است و بطورکلی می توان این چرخه را گذر از سوختهای جامد به سوی سوختهای گازی نامید . در واقع ما دو نوع سوخت را در نظر می گیریم: سوختهای جامد و سوختهای گازی و سوختهای مایع به عنوان یک حد واسط در این روند قرار می گیرند. زیرا نفت هرگز بیشتر از %45 به بازار جهانی راه نیافته است در حالی که چوب و زغال سنگ به عنوان سوخت جامد %90فروش جهانی را داشته اند و پیش بینی می شود که سوختهای گازی نیز به مرز% 90برسند

عصر حاضر ”عصر انرژیهای گازی “ نامیده می شود و مدت زمانی است که از مصرف متان آغاز شده و در نهایت به سوختهای بدون کربن  ختم خواهد شد.

به خاطر محدوديت انرژي هاي بدون كربن وگراني آن رو به استفاده از انرژي هاي ديگري مانند انرژي خورشيدي و انرژي بادي و پيل سوختي و... كه منابعي اتمام ناپذيرند وآلودگي بسيار كم ومنافع زيادي دارند روي آورده خواهد شد.

فصل اول

  پیلهای سوختی

1-1 پیل سوختی                                                                                                         

پیل سوختی وسیله ای است که با استفاده از یک واکنش شیمیایی، برق تولید می کند. هر پیل سوختی دو الکترود دارد، یکی مثبت و دیگری منفی که به ترتیب کاتد و آند نامیده می شوند. واکنش هایی که برق تولید می کنند در الکترودها رخ می دهند. هر پیل سوختی همچنین دارای یک الکترولیت است که ذرات شارژ شده الکتریکی را از یک الکترود به الکترود دیگر می برد و کاتالیزور که سرعت واکنش در الکترودهاراافزایش می دهد. هیدروژن سوخت پایه است، اما پیل های سوختی به اکسیژن هم نیاز دارند. یکی از جاذبه های پیلهای سوختی این است که با ایجاد آلودگی ناچیز برق تولید می کنند. بیشتر هیدروژن و اکسیژنی که در تولید برق به کار می روند نهایتاً باعث ایجاد محصولی جانبی به نام آب می شوند. یک پیل سوختی تنها مقدار بسیار کمی جریان مستقیم تولید می کند. در عمل، تعداد زیادی از پیل های سوختی با هم به صورت یک توده در می آیند. پیل یا توده، دارای اصولی یکسان هستند.

     هدف از ایجاد پیل سوختی تولید جریان الکتریکی است که بتوان آن را از پیل خارج کرد و مورد استفاده قرار داد. نظیر روشن کردن یک موتور الکتریکی یا روشن کردن یک لامپ یا شهر.رفتاری که جریان الکتریسیته دارد، به پیل سوختی بر می گردد و یک مدار کامل الکتریکی را تشکیل می دهد. واکنش های شیمیایی که در این جریان به وجود می آیند کلید درک طریقه کارکردن پیل ها است. چند نوع پیل سوختی وجود دارد و هر کدام متفاوت عمل می کنند. اما در مجموع اتم های هیدروژن به قسمت آند پیل وارد می شوند، یعنی در جایی که

یک واکنش شیمیایی،الکترون های آنها را آزاد می کند. اتم های هیدروژن یونیزه شده و بارالکتریکی مثبت دارند. الکترون ها با بار منفی، جریان در سیم ها را برای کار فراهم می کنند. اگر جریان متغیر مورد نیاز باشد، خروجی DC پیل سوختی باید مجهز به ابزار تبدیل جریان به نام "مبدل" باشد. اکسیژن وارد پیل سوختی در کاتد می شود و در بعضی از انواع پیل ها، اکسیژن با الکترون های بازگشتی از جریان الکتریسیته ترکیب شده و یون های هیدروژن از طریق الکترولیت به سمت آند رفته و در آنجا با یون های هیدروژن ترکیب می شوند. الکترولیت

نقشی کلیدی را ایفا می کند، طوری که باید فقط به یون های مناسب اجازه انتقال بین کاتد و آند را بدهد. اگر الکترون های آزاد یا دیگر مواد بتوانند در سطح الکترولیت جاری شوند، عمل واکنش را منقطع می کنند. اگر هیدروژن و اکسیژن در سطح کاتد یا آند ترکیب شوند، آب پدید می آید که از پیل خارج می شود. تا زمانی که اکسیژن و هیدروژن یک پیل تأمین شود، پیل قابلیت تولید برق را داراست. تا زمانی که پیل ها برق را به صورت شیمیایی تولید می کنند (به جای احتراق) قوانین ترمودینامیک که فعالیت های نیروگاه ها را محدود می کند شامل آنها نمی شود، بنابراین پیل های سوختی در استخراج انرژی از یک سوخت، بازدهی بیشتری دارند. گرمای تلف شده بعضی از پیل ها قابل مهار شدن است و بازدهی سیستم های آن روز به روز افزايش مي يابد.

     کاربرد پایه ای یک پیل سوختی در توضیح سخت به نظر نمی رسد، اما ساخت پیل های ارزان، پر بازده و مطمئن هنوز یک تجارت پیچیده است. دانشمندان و مخترعان اشکال و اندازه های متفاوتی از پیل ها را به منظور بازدهی بیشتر طراحی کرده اند که جزئیات فنی هر کدام متفاوت است. بسیار از گزینه هایی که توسعه دهندگان این پیل ها با آن روبرو می شوند به نوع الکترولیت وابسته است. برای مثال طراحی الکترودها و مواد مورد استفاده در آنها به نوع الکترولیت ها بستگی دارد. امروزه، اصلی ترین الکترولیت ها عبارتند از آلکالی، کربنات مذاب، اسید فسفریک، تبادل پرتون لایه ای (PEM) و اکسید جامد. سه نوع اول مایع و دوتای آخر جامد هستند. همچنین نوع سوخت نیز بستگی به نوع الکترولیت دارد. بعضی از پیل ها به هیدروژن خالص نیاز دارند و بنابراین تجهیزات فوق العاده ای مثل بهساز را می طلبند تا سوخت را خالص گردانند. سایر پیل ها می توانند مقداری ناخالصی را تحمل کنند، اما ممکن است برای بازدهی بیشتر به دمای بالا احتیاج داشته باشند. الکترولیت های مایع باید در بعضی پیل ها به صورت چرخه ای کار کنند که بدین منظور باید از پمپ استفاده گردد. همچنین نوع الکترولیت مشخص کننده دمای عملکردی پیل است. برای مثال، پیل کربنات گداخته همان طور که از نامش پیدا است به صورت داغ عمل می کند. هرکدام از پیل ها در مقایسه با انواع دیگر دارای زیان هایی هستند، اما هنوز هم هیچ کدام ارزان و کافی نیستند تا اینکه جایگزین راه های سنتی برای تولید برق، سوزاندن زغال سنگ، هیدرو الکتریک یا حتی نیروگاه های هسته ای بشوند.

1-2 تاريخچه پیل سوختی

      اگر چه پيل‌سوختي به تازگي به عنوان يكي از راهكارهاي توليد انرژي الكتريكي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و كار دانشمند انگلیسی سرویلیام گروبرمي‌گردد. او اولين پيل‌سوختي را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس ودرحضور کاتالیست پلاتین ساخت.

واژه "پيل‌سوختي" در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعي پيل‌سوختي که هوا و سوخت زغال‌سنگ را مصرف مي‌کرد، ساختند. تلاش‌هاي متعددي در اوايل قرن بيستم درجهت توسعه پيل‌سوختي انجام شد که به دليل عدم درک علمي مسئله هيچ يک موفقيت آميز نبود.علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.

فصلي ديگر از تاريخچه تحقيقات پيل‌سوختي توسط فرانسيس بيكن از دانشگاه كمبريج انجام شد. او در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مندولنجراصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني كاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيكل و همچنين استفاده از هيدروكسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريك به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع كه اولين پيل‌سوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد.او 27 سال تحقيقات خود راادامه داد تا توانست يك پيل‌سوختي كامل وكاراارائه نمايد.بيكون درسال 1959 پيل‌سوختي با توان5 كيلووات را توليد نمود كه مي‌توانست نيروي محركه يك دستگاه جوشكاري را تامين نمايد.

تحقيقات جديد در اين عرصه ازاوايل دهه 60 میلادی با اوج گيري فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مركز تحقيقات ناسا در پي تامين نيرو جهت پروازهاي فضايي با سرنشين بود. ناسا پس از رد گزينه‌هاي موجود نظير باتري (به علت سنگيني)،انرژي خورشيدي(به علت گران بودن)وانرژي هسته‌اي (به علت ريسك بالا) پيل‌سوختي را انتخاب نمود.

تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيل‌سوختي پليمري توسط شركت جنرال الكتريك منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود كه اولين كاربرد تجاري پيل‌سوختي بود.

پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپیما پيل‌سوختي قليايي بيكن را به منظور كاهش وزن و افزايش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضايي آپولو به كار بردند. در هر دو پروژه پيل‌سوختي بعنوان منبع انرژي الكتريكي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيل‌هاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد مي‌كرد. پس از کاربرد پيل‌هاي سوختي در اين پروژه‌ها، دولت‌ها و شركت‌ها به اين فن‌آوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي تولید انرژي پاك در آينده توجه روزافزوني نشان دادند.

از سال 1970 فنآوري پيل‌سوختي براي سيستم‌هاي زميني توسعه يافت. تحريم نفتي از سال1973-1979 موجب تشديد تلاش دولتمردان امريكا و محققين در توسعه اين فن‌آوري به جهت قطع وابستگي به واردات نفتي گشت.

در طول دهه 80 تلاش محققين بر تهيه مواد مورد نياز، انتخاب سوخت مناسب و كاهش هزينه استوار بود. همچنين اولين محصول تجاري جهت تامين نيرو محركه خودرو در سال1993 توسط شركت بلارد ارائه شد.

1-3 انواع پیل سوختی

    1-3-1  پیل سوختی هیدرید فلز

     پیل‌های سوختی هیدرید فلز نوعی از پیل‌های سوختی آلکالین هستند که امروزه در فازهای تحقیقات و توسعه استفاده می‌شوند. یک ویژگی قابل توجه آنها، قابلیت پیوند شیمیایی و ذخیره هیدروژن در پیل است. این ویژگی در پیل‌های سوختی بروهیدریدی نیز وجود دارد، اگرچه MHFC آن با هیدروژن خالص مجدداً سوخت‌گیری می‌شود. تصور می‌شود که ویژگی‌های جذب هیدریدهای فلز حدود 2 درصد کمتر از بروهیدریدهای سدیم و سایر هیدریدهای فلزی سبک حدود 8/10 درصد باشد، برای نمونه تعدادی از ویژگی‌های جالب توجه آنها ارائه می‌گردد:                                                                                                              

• قابلیت شارژ مجدد برای انرژی برق )مشابه باتري هاي NIMH)
  • دارای دماهای عملکردی پایین
• جنبش سریع پیل‌های سوختی هیدرید فلز اخیراً توسط ECD Ovonics و همچنین مؤسسه
  ملی تکنولوژی پیشرفته و علوم صنعتی ژاپن مورد بررسی و آزمایش قرار گرفته‌اند. تصور می‌شود که دو روش MHCF برای کاتالیزورهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین، در پروژه‌های تحقیقاتی یک مدل قابل ارائه خارج از لابراتوار تولید نشده است و هنوز برای غلبه بر موانع هیچ مدلی ارائه نگردیده است.

 1-3-2 پیل‌سوختی الکتروگالوانیزه  

پیل سوختی الکتروگالوانیزه، یک دستگاه الکتریکی است که برای اندازه‌گیری غلظت گاز اکسیژن در غواصی و تجهیزات پزشکی بکار می‌رود. در این پیل سوختی، هنگامی که هیدروکسید پتاسیم در پیل با اکسیژن اتصال برقرار می‌کند، یک واکنش شیمیایی انجام می‌شود. این امر باعث ایجاد جریان الکتریکی بین هادی آند و صفحه طلایی کاتد از طریق مقاومت باز می‌شود. ولتاژ تولید شده با غلظت اکسیژن موجود، متناسب است. این نوع از پیلها در تحلیل کننده‌های اکسیژن در غواصی تکنیکی بکار رفته و بیانگر تناسب اکسیژن در گاز Trimix و یا Nitrox قبل از غواصی هستند و همچنین در سیستم‌های اکسیژن مداربسته برای ارزیابی فشار جزئی اکسیژن در طول غواصی بکار می‌روند. پیل‌های سوختی الکتروگالوانیزه دارای طول عمر محدودی هستند که در غلظت بالای اکسیژن کاهش می‌یابد. واکنش بین اکسیژن و سرب در آند مصرف کننده سرب رخ می‌دهد که نتیجه آن غلظت بالای اکسیژن در پیل خواهد بود. یک پیل که برای کاربردهای غواصی بکار می‌رود اگر در یک بستۀ بدون درزِ هوا ذخیره شود دارای طول عمر سه ساله خواهد بود، اما اگر در اکسیژن خالص ذخیره شود فقط چهار ماه طول عمر خواهد داشت.

 1-3-3 پیل سوختی اسید فرمیک

 پیل‌های سوختی اسید فرمیک یا OFAFC ها، از نوع پیل‌های سوختی تبادل پروتونی محسوب می‌شوند که سوخت آن یعنی اسید فرمیک بازیابی نمی‌شود، اما بطور مستقیم به پیل سوختی تغذیه می‌شود. کاربردهای آنها در وسایل الکترونیکی کوچک و قابل حمل مثل تلفن‌ها و کامپیوترهای لپ‌تاپ است.

 همانند متانول، اسید فرمیک نیز یک مولکول آلی کوچک است که مستقیماً در پیل سوختی تغذیه می‌شود و نیاز بازیافت کاتالیزور را برطرف می‌کند. ذخیره‌اسید فرمیک راحت‌تر و ایمن‌تر از هیدروژن است زیرا نیازی به فشار بالا یا دمای پایین ندارد برای اینکه اسید فرمیک در دمای محیط مایع است. دو مزیت مهم برای اسید فرمیک‌ها نسبت به متانول‌های مورد استفاده در پیل‌های سوختی وجود دارد. اول اینکه اسید فرمیک از غشای پلیمری عبور نمی‌کند، بنابراین بازدهی آن بیشتر از متانول است. دوم اینکه اسید فرمیک همانند متانول باعث کوری نمی‌شود و درصورت نشت، می‌توان گفت که سوختی ایمن‌تر است.

واکنش ها DFAFC ها اسید فرمیک و اکسیژن را به دی اکسید کربن و آب برای تولید انرژی تبدیل می‌کنند. اکسیداسیون اسید فرمیک در آنٌد در یک لایه کاتالیزور رخ می‌دهد. دی اکسید کربن ایجاد شده و پروتون‌ها ازطریق غشای پلیمر عبور کرده و با اکسیژن در یک لایه کاتالیزور موجود در کاتد واکنش می‌دهد. الکترون‌ها از طریق یک مدار خارجی از آند به کاتد عبور کرده و برای وسیله خارجی انرژی (برق) تولید میکند.در طول تحقیقات گذشته، محققان، اسید فرمیک را بعنوان یک سوخت کاربردی و سودمند نپذیرفتند زیرا در آزمایشات ولتاژ بسیار بالای الکتروشیمیایی از خود نشان داد: یعنی این واکنش برای کاربردهای مختلف بسیار مشکل است و عملی نیست. با این وجود، در سالهای اخیر، سایر محققان دریافتند که دلیل عملکرد پایین آن، استفاده از پلاتینوم بعنوان یک کاتالیزور است که در انواع پیل‌های سوختی معمولی است. استفاده از پالادیوم بجای آن، عملکرد بهتر از پیل‌های سوختی متانولی را نیز ارائه داده است. شرکت Tekion مجوز انحصاری برای تکنولوژی پیل‌های سوختی اسید فرمیک را از دانشگاه ایلی نویز در Urbana-Champaign اخذ کرد. این شرکت اکنون بر توسعه پیل سوختی/ باتری که Formia Power Pack نامیده می‌شود متمرکز است و امیدوار است که بتواند در فصل اول سال 2007بتواند Pack های جدیدی را ارائه دهد.

Power Pack درپیل‌های سوختی بجای منبع الکتریکی معمولی مانند Walloutlet، برای

شارژ مجدد باتری‌ها، متکی است. هنگامی که سوخت تخلیه (مصرف) می‌شود، کاربران به راحتی می‌توانند کارتریج سوخت خالی شده را با یک کارتریج جدید جایگزین کنند. به دلیل چگالی بالای نیروی پیل سوختی، باید زمان شارژ حدود دوبرابر شود. این تکنولوژی تنها حدود 10-15 درصد نسبت به باتری‌های قدیمی باعث صرفه‌جویی در هزینه می‌شود

1-3-4 پیل روی- هوا

    پیل‌های روی- هوا، پیل‌های الکتروشیمیایی غیرقابل شارژ هستند و از طریق اکسیداسیون روی با اکسیژن هوا، نیرو کسب می‌کنند. این پیل‌ها دارای چگالی‌های انرژی بالا هستند و تولید آنها نسبتاً ارزان‌تر است. آنها در تجهیزات الکتریکی آزمایشگاهی کاربرد فراوانی هستند. ذرات روی (Zinc) با الکترولیت (محلول هیدروکسید پتاسیم( وآب و اکسیژن هوا در کاتد واکنش داده و هیدروکسیل‌هایی که به پایه روی(Zinc) انتقال می‌یابند را تشکیل داده و Zincate (Zn(OH) 42) نیز تشکیل می‌دهد که در آن نقاط الکترون‌ها آزاد شده و به کاتد می‌روند. واپاشی Zincateدر اکسید روی و آب در بازگشت به سیستم صورت می‌گیرد. آب و هیدروکسیل از آند در کاتد مجدداً بازیافت شده و آب فقط بعنوان یک کاتالیزور عمل می‌کند. این واکنش‌ها ماکزیمم سطح ولتاژ 65/1 ولت را تولید کرده اما ولتاژ را تا 35/1-4 ولت با کاهش جریان هوا درپیل کاهش می‌دهد، این امر اغلب در باتری‌های سمعک برای کاهش میزان آب خشک شده، به کار می‌رود. واژۀ پیل سوختی روی- هوا اغلب به پیل روی- هوایی اطلاق می‌شود که سوخت روی در آن مجدداً شارژ شده و اکسید روی زائد بطور مداوم ازبین می‌رود. این کار با قرار دادن خمیره الکترولیت روی یا Pellet های آن در فضای آند صورت می‌گیرد. اکسید روی زائد به مخزن ضایعات یا کیسه درون مخزن سوخت پمپاژ می‌شود و خمیره یا Pellet رویِ تازه از مخزن سوخت گرفته می‌شود. اکسید روی زائد در جایگاه سوخت‌گیری مجدد پمپاژ شده و به کارخانه بازیافت ارسال می‌گردند. بعلاوه، این واژه به سیستم الکتروشیمیایی نیز اطلاق می‌شود که در آن روی (Zinc) بعنوان یک واکنش دهنده کمکی، بازیابی سوخت‌های هیدروکربن را در آند یک پیل سوختی را صورت می‌دهد. پیل‌های روی- هوا دارای ویژگی‌های پیل‌های سوختی و باتری‌ها هستند.

 ویژگی‌های پیل روی- هوا:

 -پیل‌های روی- هوا دارای انرژی بسیار زیادی در مقایسه با سایر باتری‌ها هستند. پیل‌های روی- هوا انرژی متداوم تولید می‌کنند، تا زمانی که پیل بیش از 85-80 درصد تقلیل نیافته باشد، ولتاژ تولید می‌شود.

-پیل‌های روی- هوا دارای طول عمر طولانی هستند چرا که در بسته‌بندی بدون درز (بدون درز ورود اکسیژن) هستند.

-پیل‌های روی- هوا دارای میزان تخلیه خود به خود در مجاورت با هوا هستند، هنگامی که روی با اکسیژن واکنش می‌دهد، کاتالیزور آب در پیل خشک خواهد شد. برای جلوگیری از تخلیه خود به خود پیل، باید هنگامی که از آن استفاده نمی‌شود، آن را تخلیه کرد. رطوبت در پیل می‌تواند با استفاده از محیطی مرطوب حفظ شود.

 -پیل‌های روی- هوا نباید با آب اشباع شوند. از فرو بردن آنها در آب باید خودداری شود.

 -در پیل‌های روی- هوا از مواد ارزان استفاده شده است و می‌توان تولید انبوه آنها را با هزینه‌‌ای ارزان صورت داد.  پیل‌های روی- هوا قابلیت شارژ مجدد بصورت الکتریکی را ندارند، اما روی را می‌توان بازیافت کرد یا بطور مکانیکی می‌توان آن را شارژ کرد. اکسید روی از پیل‌های استفاده شده ذوب شده و به فلز روی تبدیل می‌شود و با الکترولیت بازیابی شده مجدداً ترکیب می‌شود.

 1-3-5 پیل‌های سوختی میکروبی

یک پیل سوختی میکروبی (MFC) یا یک پیل سوختی بیولوژیکی، وسیله‌ای است که در آن میکروارگانیسم‌ها ترکیباتی مثل گلوکز، استات یا آب زائد را اکسید می‌کنند. الکترون‌هایی که از این اکسیدها حاصل می‌شوند درجهت یک الکترود پیش می‌روند که آند نامیده می‌شوند. از این آند، الکترون‌ها ازطریق یک مدارالکتریکی در جهت الکترود دوم یعنی کاتد پیش می‌روند. در کاتد، الکترون‌ها درجهت یک پذیرندۀ الکترونیکی  با اختلاف پتانسیل زیاد، توان، درنتیجه فعالیت باکتریایی تولید می‌شود. خروجی توان که تاکنون گزارش شده است، بسیار کم یعنی بصورت میلی‌وات بوده است. درحال حاضر کاربردهای تجاری این توان وجود ندارد، بنابراین انتظار می‌رود که در سالهای آتی تغییراتی در آن پدید آید. تولید الکتریسیته، برق ازآب زائد یکی از مهمترین موضوعات در این زمینه درحال حاضر محسوب می‌شود. همچنین دستگاه‌های تنظیم ضربان قلب که با نیروی گلوکز کار می‌کنند نیازی به تأمین نیرو ندارند چراکه از گلوکز جریان خون، بیوسنسورها و سیستم‌های انتقال مواد غذایی استفاده می‌کنند. یک پیل سوختی میکروبی ابزاری است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی توسط واکنش میکروارگانیسم‌های کاتالیزوری تبدیل می‌کند. یک نوع پیل سوختی میکروبی شامل آند و کاتد است که توسط یک غشای خاص کاتیونی از یکدیگر جدا شده‌اند. در فضای آند، سوخت، توسط میکروارگانیسم‌ها اکسید شده و الکترون‌ها و پروتون‌ها را تولید می‌کند. الکترون‌ها و پروتون‌ها در فضای کاتد مورد استفاده قرار می‌گیرند و در ترکیب با اکسیژن تشکیل آب می‌دهند. بطورکلی، دو نوع پیل سوختی میکروبی وجود دارد: پیل سوختی میکروبی واسطه (Mediator) و پیل سوختی بدون واسطه (Mediator-less) پیل‌های سوختی بیولوژیکی گلوکز و متانول را از خرده‌های غذا گرفته و آن‌ها را در مجاورت باکتری به غذا و هیدروژن تبدیل می‌کنند.

پیل سوختی میکروبی واسطه اکثر پیل‌های میکروبی بصورت الکتروشیمیایی غیرفعال هستند. انتقال الکترون از پیل‌های میکروبی به الکترود توسط واسطه‌هایی چون تیونین، متیل ویولوگن (متیل بلو) ، اسید آب‌دار، قرمز خنثی و غیره صورت می‌گیرد. اکثر این واسطه‌ها گران و سمی هستند.

پیل سوختی میکروبی بی‌واسطه در مؤسسه علوم و تکنولوژی کره، توسط تیمی که توسط کیم، بیونگ هونگ راهبری می‌شود، ساخته شدند. یک پیل سوختی میکروبی بی‌واسطه نیازی به واسطه ندارد اما از باکتری فعال الکتروشیمیایی برای انتقال الکترون‌ها به الکترود استفاده می‌کند. درمیان باکتری‌های فعال الکتروشیمیایی اشوانلا، هیدروفیلای آئرونوموس و غیره از همه مهمتر هستند.

MFC های بی‌واسطه اخیراً توسعه یافته و به این علت بر عملکرد بهینه تأثیر بسزایی گذاشته‌اند طوری که باکتری بکار رفته در این سیستم، نوع یون غشاء و شرایط سیستم مثل دما چندان اهمیتی ندارد. باکتری در MFC های بی‌واسطه دارای آنزیم‌های کاهش دهنده فعالیت الکتروشیمیایی مثل سیتوکروم در غشای خارجی که الکترون‌ها را به مواد بیرونی انتقال می‌دهد، هستند.

تولید انرژی الکتریسیته (برق) وقتی میکروارگانیسم‌ها از یک زیر لایه مثل شکر در شرایط هوازی استفاده می‌کنند، دی اکسید کربن و آب تولید می‌کنند. با این وجود، هنگامی که اکسیژن وجود ندارد، آنها دی اکسید کربن، پروتون و الکترون را همانند ذیل تولید می‌کنند:

C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e- Eqt.1پیل‌های
سوختی میکروبی از واسطه‌های غیرآلی برای ضربه زدن به داخل زنجیرۀ انتقال الکترون پیل‌ها استفاده کرده و الکترون‌های تولید شده را واسطه از غشای خارجی چرب پیل و دیوارۀ پلاسما عبور کرده و الکترون‌ها را از زنجیرۀ انتقال الکترون آزاد می‌کند که بطور نرمال توسط اکسیژن یا سایر واسطه‌ها گرفته می‌شود. اکنون واسطه کاهش یافته‌ای وجود دارد که پیل با الکترون‌های متصل به الکترودی که آنها را ته‌نشین کرده است قرار گرفته و این الکترود به آند الکترود ژنریک تبدیل می‌شود. (الکترود با بار منفی) . آزادسازی الکترون‌ها به این معنی است که واسطه به وضعیت اولیه اکسید شده خود بازگشته و فرآیند مجدداً تکرار می‌شود. مهم است که بدانیم این موضوع فقط تحت شرایط غیرهوازی رخ می‌دهد، اگر اکسیژن وجود داشته باشد، کلیه الکترون‌ها جمع‌آوری شده و الکترونگاتیو تراز واسط خواهند بود. تعدادی از واسطه‌ها برای استفاده در پیل‌های سوختی میکروبی ارائه شده‌اند. آنها شامل متیلن قرمز، آبی،

ترونین و رزورفوین هستند. این‌ها اصول تولید جریان الکترون‌ها از اکثر میکروارگانیسم‌ها هستند. برای تأمین نیروی برق مناسب، این فرآیند باید در یک پیل سوختی انجام شود. برای تولید یک جریان مفید، لازم است که یک مدار کامل ایجاد شود نه اینکه فقط الکترون‌ها به یک نقطه منفرد ارسال شوند. واسطه و میکروارگانیسم درحالت تخمیر، در یک محلول که به یک زیرلایه مناسب مانند گلوکز اضافه می‌شود، با یکدیگر مخلوط می‌شوند. این مخلوط در یک فضای بسته قرار می‌گیرد و باعث می‌شود که از ورود اکسیژن جلوگیری شود. بنابراین میکروارگانیسم برای استفاده تنفس هوازی با فشار وارد می‌شود. یک الکترود در محلول قرار می‌گیرد و بصورت آند همانند آنچه قبلاً گفته شد عمل می‌کند. در محفظه دوم، MFC یک محلول و الکترود دیگر است. این الکترود که «کاتد» نامیده می‌شود بصورت مثبت شارژ شده و برابر با داخل شدن اکسیژن در انتهای زنجیرۀ انتقال الکترون است، و فقط از خارج به پیل بیولوژیکی وارد

می‌شود. این محلول یک عامل اکسیداسیون است که الکترون‌ها را در کاتد منظم می‌کند. مانند زنجیره الکترون در پیل تخمیر شده، باید تعدادی ملکول همانند اکسیژن در آن وجود داشته باشد. با این وجود، این کار عملی نیست زیرا به حجم بالایی از گاز چرخشی نیاز است. یک گزینه قراردادی استفاده از محلول با یک عامل اکسیداسیون جامد است. اتصال دو الکترود توسط یک سیم صورت می‌گیرد (یا توسط یک مسیر هادی جریان برق که ممکن است شامل بعضی وسایل الکتریکی نیرو مثل لامپ باشد، صورت می‌گیرد) واسط کاهش یافته الکترون‌ها را از پیل به الکترود منتقل می‌کند. در این حالت واسط هنگامی که الکترون‌‌ها را ته‌نشین می‌کند، اکسید می‌شود. آنها سپس ازطریق یک سیم به الکترود دوم که بعنوان یک سنیک الکترود فعال است جریان می‌یابند. درنتیجه به مواد اکسیداسیون انتقال می‌یابند.

 پیل‌های سوختی میکروبی دارای مواد کاربردی پتانسیل هستند. اولین و بارزترین آنها، تولید انرژی برق برای یک منبع تأمین برق است. حقیقتاً هر مادۀ آلی را می‌توان برای تغذیه پیل سوختی به کار برد MFC .ها را می‌توان برای کارخانه‌های تأسیسات آب زائد نصب کرد. باکتری مواد زائد را از آب گرفته و نیروی برق کامل برای کارخانه تولید می‌کنند. استفاده از MFC ها، متدی مؤثر برای تولید انرژی محسوب می‌شود. تخلیه پیل سوختی طبق قوانین مربوطه صورت می‌گیرد MFC .ها از انرژی بیشتر و مؤثری برای موتورهای استاندارد احتراقی که توسط Carnotcycle محدود می‌شود، استفاده می‌کنند. بصورت نظری، یک MFC قادر است انرژی مؤثر را تا 50 درصد ارسال کند. با این وجود، MFC ها را نباید در مقیاس‌های بالا استفاده کرد و تخمین زده می‌شود که MFC ها را بتوان بعنوان منبع نیرو برای یک دستگاه ضربان سنج قلب، میکروسنسور با یک میکرواکتوآتور مورد استفاده قرار داد MFC. می‌تواند گلوکز را از جریان

خون یا سایر زیرلایه‌ها در بدن گرفته و از آن برای تولید الکتریسیته این وسایل نیرو استفاده کند. مزایای استفاده از MFC در این وضعیت، استفاده بصورت باتری است که شکل قابل تجدید انرژی را به کار برده و می‌تواند بسیار کوچک ساخته شود و نیازی به شارژ مجدد همانند سایر باتری‌های استاندارد ندارد. همچنین می‌تواند بخوبی در شرایط دمایی متوسط بین 20 تا40درجه سانتی‌گراد و با PH حدود 7 عمل کند. الکتریسیته حاصل از پیل سوختی را می‌توان در کاربردهایی چون Ecobots، Gastrobots و   Biosensors  بکار برد. از آنجایی که جریان تولید شده از یک پیل سوختی میکروبی مستقیماً با پایداری آب زائد بکار رفته در سوخت متناسب است، یک MFC را می‌توان برای اندازه‌گیری مقاومت آب زائد بکار برد. مقاومت (پایداری)

آب زائد اغلب بصورت مقادیر درخواست اکسیژن بیوشیمیایی (BOD) تخمین زده می‌شود. مقادیر BOD در نمونه‌هایی برای مدت 5 روز توسط منبع میکروب‌ها که اغلب ته نشست فعال را از فاضلاب جمع‌آوری می‌کنند، مشخص می‌شود. اکسیژن و نیترات گیرنده‌های الکترون را از طریق الکترود کاهش دهنده جریان تولیدی از یک MFC دریافت می‌کنند. یک سنسور MFC-Type BOD مقادیر BOD را در حضور پذیرنده‌های الکترون تخمین می‌زند. این کار می‌تواند از آغشته شدن نیترات و هوا در MFC با استفاده از Inhibitor های اکسیدزا ترمینال مثل سیانید و آزید جلوگیری کند. این نوع سنسور BODبطور تجاری دردسترس است.

تحقیقات فعلی اخیراً، بیشتر محققان در این زمینه بیولوژیست هستند بجای اینکه الکتروشیمیست یا مهندسی باشند. درنتیجه بعضی از آنها بعضی از کاربردهای غیرمطلوب مثل ثبت ماکزیمم جریان حاصل شده از طریق پیل را هنگامی‌ که عملکرد آن را نشان می‌دهند، مشخص می‌کنند، بجای اینکه جریان ثابت که اغلب از شدت درجه‌ای کمتر برخوردار است را نشان دهند گاهی اوقات داده‌های مربوط به مقدار مقاومت بکار رفته اندک است و غیرقابل مقایسه با سایر داده‌ها می‌باشد.