بخشی از مقاله
چکیده
دسترسی مناسب و آسان به انرژی، کلید اصلی رشد و توسعه و پیشرفت کشورهاست. تصمیم گیری و برنامه ریزی دولت ها در این زمینه اثرات مستقیم بر زندگی مردم و جامعه دارد. در این مقطع از زمان کمبود و پرهزینه بودن سوخت های فسیلی، بحران های زیست محیطی، بروز انواع آلودگی و آلودگی ناشی از آن ها رفتن به سوی منابع انرژی تجدیدپذیر و پاک که نیاز جامعه امروز است را به موضوعی پر اهمیت تبدیل کرده است.
این مقاله با هدف مروری بر پیل سوختی و همچنین نمونه هایی از فناوری های سبز در تولید پیل های سوختی سازگار با محیط زیست انجام شده است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که یکی از شیوه های نوین که فناوری آن در دهه اخیر به سرعت توسعه یافته است، استفاده از پیل سوختی جهت تامین همزمان الکتریسیته و حرارت به روش الکتروشیمیایی می باشد .
این فناوری از جهت عدم تولید آلاینده هایی مانند اکسیدهای نیتروژن، مونوکسید کربن و هیدروکربنهای نسوخته، منحصربفرد است. باکتریها برای متابولیسم کامل غذا به جای اکسیژن از فلز استفاده میکند و از آنجا که این ارگانیسم قادر است مستقیما الکترونها را به اکسید فلزی جامد انتقال دهد، می توان آن را در آند پیل سوختی مورد استفاده قرار داد. پیل سوختی میکروبی وسیله ای پاک از نوع الکتروشیمیایی می باشد که انرژی شیمیایی موجود در مواد آلی و مواد غیرآلی را با استفاده از باکتری ها به عنوان بیوکاتالیست، به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
در پیل سوختی اکسید جامد، در اثر انجام واکنشی عکس الکترولیز آب، الکترون های ایجاد شده از طریق یک مدار خارجی از داخل الکترولیتی که رسانای الکترون نیست عبور می کنند و منجر به تولید برق می شوند. یونهای هدایتگر در این پیلسوختی کربنات مذاب ، کربنات می باشند. این یونها از کاتد به آند منتقل می شوند. در قسمت الکترود آند، هیدروژن با کربنات واکنش داده و محصول آن دی اکسید کربن، آب و الکترون می باشد. الکترونهای حاصله بوسیله مداری خارجی از آند به کاتد رفته و درنتیجه برق تولید می شود.
مقدمه
منابع انرژی قدیمی، سوخت فسیلی و برق حاصل از شکافت هسته ای، عملا بر چگونگی سیستم عرضه انرژی در جهان امروز تسلط دارند .ولی وابستگی شدید جوامع صنعتی به منابع انرژی فسیلی به خصوص نفت و گاز و به کارگیری و مصرف بی رویه آن ها ممکن است منابع عظیمی که طی قرون متمادی در لایه های زیرزمینی شکل گرفته است را تخلیه کنند .
با توجه به محدودیت منابع انرژی و مشکلات زیست محیطی ناشی از این آلاینده ها، لزوم استفاده از روشهای تبدیل انرژی با راندمان بیش تر و هم چنین استفاده از سوختهایی که آلوده کننده نبوده و امکان تولید آن از منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدید ناپذیر ممکن باشد اهمیت دارد.
امروزه برنامه های توسعه انسان را محور قرار داده اند و انسانی می تواند ایمن و سلامت باشد که خود پاک باشد از فرآورده های پاک استفاده کند و از سازه های پاک برای ساختن شهرها و ساختمان های خود استفاده کرده باشد و از انرژی های پاک برای اداره امور زندگی خود بهره گیرد. انرژی های پاک خود منجر به تولید سازه های سازگار با محیط زیست شده اند انرژی باد و آب و خورشید و انرژی های شیمیایی پاک که متناسب با آن ها پره های توربین بادی، سلول های خورشیدی و غیره ساخته شده است و ساخت و کارآیی آن ها در حال تکامل است .یکی از سازه ها و وسایلی که تولید آلودگی آن به میزان صفر است، پیل سوختی است که در آن مواد و ترکیبات وارده هر چه باشد مواد خروجی حاصل از آن ها فاقد مواد و ترکیبات مضر است
کلیاتی درمورد پیل سوختی
پیل سوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت رامستقیماً به ا نرژی الکتریکی تبدیل می کند . و فرایند اکسیداسیونٌ در آند پیل سوختی پلیمری انجام شده و الکترون حاصل شده به مدار خارجی وارد شده که بعد از آن وارد کاتد می شود . یون مثبت حاصل شده در آند با عبور از غشاء - الکترولیت - به بخش کاتد رفته و در حضور کاتالیزور با اکسیژن هوا و ا لکترونی که از مدار خارجی وارد بخش کاتد شده تبدیل به آب می شود.
پیل های سوختی فن آوری نوین برای تولید انرژی هستند که آلودگی زیست محیطی نداشته، و از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده ، انرژی الکتریکی پر بازده تولید می کنند .برای چرخه کارنو برای تبدیل انرژی شیمیایی بدست آمده از سوخت به انرژی گرمایی و مکانیکی وهمچنین برق، جایگزین مناسبی وجود دارد که آن تولید مستقبم برق می باشد که از هدر رفت بیش از حد انرژی جلوگیری کرده و باعث دستیابی به بازده تئوری خواهد شد [3]. » پیل های سوختی بر فناوری الکتروشیمیایی و استفاده از گاز هیدروژن در ترکیب با اکسیژن برای تولید برق اتکا دارند
- 1 فرآیندی که در آن یک جسم - اکسید کننده - الکترون میگیرد و عدد اکسایش یک اتم افزایش مییابد.
یک پیل سوختی از دو الکترود مجزا به همراه یک غشای پلیمری الکترولیت تشکیل شده است. وجود لایه ای کاتالیزوری از جنس پلاتین که بر روی هر الکترود قرار دارد، باعث می شود که سوخت هیدروژن تجزیه شده و الکترون و پروتون بوجود می آید. که الکترون حاصل شده به یک جریان تولیدی خارجی هدایت می شود، برقی که با این پیل های سوختی تولید می شود، 0/6 ولت است که می توان بصورت مستقیم از آن استفاده کرد، یا اینکه در یک باتری ذخیره شده و مورد استفاده قرار داد. [2] در هر صورت می توان این ادعا را کرد که پیل های سوختی بازدهی زیادی در تولید انرژی الکتریکی دارند که بطور متوسط حدود 40 تا 60 درصد می باشد، که این عدد بسیار فراتر از موتورهای احتراقی که بازدهی حدود 25 درصد دارند، می باشد.
تفاوت پیل سوختی با باتری معمولی
هر چند اجزاء و خصوصیات یک پیل سوختی به یک باتری معمولی شباهت دارد اما در حقیقت پیل های سوختی تفاوت زیادی با باتری های معمولی دارند. باتری وسیله ای برای ذخیره انرژی می باشد و حدأکثر انرژی که می توان از آن دریافت کرد توسط مقدار ماده شیمیایی واکنش دهنده ای تعیین می شود که در خود باتری ذخیره شده است - غالباً در الکترودها - . و اگر این ماده واکنش دهنده در باتری بطور کامل مصرف شود، دیگر انرژی تولید نمی شود، در واقع تولید انرژی الکتریکی متوقف خواهد شد - باتری تخلیه می شود - . در باتری های نسل دوم می توان باتری را دوباره شارژ کرد که با این کار، ماده واکنش دهنده باتری دوباره احیا می شودکه این کار هم خود نیازمند تأمین انرژی از یک منبع خارجی دیگری می باشد. در چنین حالتی هم انرژی الکتریکی که در باتری ذخیره شده محدود می باشدکه این میزان انرژی به اندازه ماده واکنش دهنده موجود در آن خواهد بود.
هیدروژن وپیل سوختی
هیدروژن از آن دسته عناصری می باشد که به فراوانی در سطح زمین یافت می شود. این عنصر در طبیعت به صورت خالص وجود ندارد ولی می توان آن را از راه های زیادی از دیگر عناصر موجود در طبیعت بدست آورد. هیدروژن معروف ترین و همچنین بهترین موردی می باشد که می توان آن را بعنوان حامل جدید انرژی مطرح کرد. در مقایسه با دیگر سوخت ها، این عنصر می تواند باکارایی بهتر واحتراق بسیار تمیز و پاک به اشکال دیگرری از انرژی تبدیل شود.
فناوری های پاک در تولید پیل های سوختی
فناوری پیل سوختی هیدروژنی
هیدروژن از فراوان ترین عناصر موجود در سطح زمین می باشد که از منابع زیادی بدست می آید. بطور کلی این منابع شامل: منابع انرژی اولیه - منابع پایان پذیر مانند زغال سنگ، گاز طبیعی، اورانیوم - ، منابع انرژی ثانویه - منابع که با استفاده از منابع اولیه انرژی تولید می شوند مانند بنزین، گازوییل، برق - و منابع تجدید پذیر - منابعی که بدون دخالت انسان به طور متناوب تولید می شوند مانند خورشید، زیست توده، زمین گرمایی - بدست می آید. امروزه هیدروژن را توسط فرایند هایی همچون الکترولیز آب، ریفورمینگ سوختهای فسیلی با بخار آب - حدود - %99 و رفورمینگ گاز طبیعی می توان تولید کرد
