تولید انرژی های پاک توسط پیل های سوختی پلیمری مبتنی بر سوخت هیدروژن

تولید انرژی های پاک توسط پیل های سوختی پلیمری مبتنی بر سوخت هیدروژن

چکیده
توسعه شگرف علم و فناوری در جهان امروز باعث آسایش و رفاه زندگی بشر شده است لیکن این توسعه یافتگی مایه بروز مشکلات تازه ای برای انسانها شده که از آن جمله میتوان به آلودگی محیط زیست، تغیرات گسترده آب و هوایی و غیره اشاره نمود. به این ترتیب ضرورت انتخاب جایگزین مناسب، ارزان قیمت و تمیز برای سوخت های فسیلی آشکار میشود.از میان منابع جایگزین سوختهای فسیلی، هیدروژن و در میان وسلیه های تولید انرژی، پیل سوختی موفقیت های زیادی را داشته اند به شکلی که مصرف هیدروژن در پیل های سوختی در حال حاضر راه حل مناسبی جهت عبور از تنگنای انرژی ناسالم و آلودگی محیط زیست می باشد. هیدروژن که یک عنصر شیمیایی با ارزش است، با توجه به ضرورت استفاده از انرژی های تجدید پذیر در آینده به طور فزاینده به عنوان حامل انرژی تبدیل خواهد شد که به کمک توده پیل های سوختی میتواند انرژی الکتریکی و حرارتی پاک را با بازده بالا تولید نماید استفاده از هیدروژن در پیل های سوختی نشر گازهای گلخانه ای را به صفر میرساند.

کلید واژه ها: هیدروژن، پیل سوختی پلیمری، انرژی پاک

مقدمه
بی شک زمانی که ویلیام رابرت گروو1 شیمی دان و مخترع انگلیسی اولین پیل سوختی را در سال 1839 اختراع کرد این موضوع را متصور میشد که اختراعش میتواند آینده ای باشد برای تولید انرژی های پاک، اما بعید بود که تصور کند زمین به سمتی برود که هر روز با یک فاجعه ی زیست محیطی تازه روبه رو شود.راه حل اساسی برای کمک به محیط زیست فقط منوط به استفاده از پیل های سوختی نیست بلکه سوخت مورد استفاده در آن نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است از آنجا که در بخش تامیین سوخت از تنوع زیادی میتوان بهره گرفت، اما بهترین سوخت هیدروژن است، زیرا بیش از دیگر عناصر می توان آن را به صورت آزاد در طبیعت پیدا کرد، کشف مهم هنری کاوندیش2 در بین سال های 1766 تا 1781 نشان داد که گاز هیدروژن یک ماده مجزا است که به هنگام سوختن آب تولید میکند این کشف سندی بود بر به کارگیری هیدروژن به عنوان سوخت در پیل های سوختی که بازدهی آنها بیش از 3 برابر موتورهای احتراق داخلی میباشد و برای تولید انرژی ای پاک و کمک به آینده محیط زیستی که در سیاهی دی اکسید کربن گرفتار شده است کاربرد های فراوانی دارد.
هیدروژن

هیدروژن، ساده ترین اتم که دارای هسته ای فقط با یک پروتون است و در احاطه یک الکترون قرار دارد، بیشترین فراووانی را در بین عناصر یعنی حدود 90% اتم های جهان را تشکیل میدهد.این در حالی است که در سطح زمین هیدروژن آزاد بسیار کم وجود دارد دلیل آن این است که بسیار سبک میباشد و از جاذبه ثقل زمین فرار میکند.با وجود این هیدروژن به وفور همراه با ترکیب اکسیژن در آب وجود دارد.این گاز بی رنگ و بی بو میباشد و به خاطر نیروهای پراکندگی بسیار ضعیف منجر به داشتن نقطه ذوب (295-) و نقطه جوش (253-) درجه سانتی گراد شده است.

روش های تولید هیدروژن
برای دستیابی به هیدروژن عموما از 2 طریق کلی میتوان عمل کرد:
1-تولید هیدروژن از منابع فسیلی
• اکسیداسیون جزیی نفت سنگین 3
• مبدل گاز طبیعی با پروسه تبدیل گاز توسط بخار4
• مبدل گاز طبیعی اکسیداسیون جزئی5
2-تولید هیدروژن از منابع غیر فسیلی(تجدید پذیرها)
• فتوالکتروشیمیایی 6
• مواد بیولوژِیکی 7
• بیوشیمیایی8
• ترموشیمیایی9
• ترمولیز آب 10
• رادیولیز آب11
• مواد زیست توده 12
• الکترولیزر آب 13
در بین روش های ذکر شده تولید هیدروژن از طریق الکترولیز کردن آب دارای مزایای بیشتری است زیرا مصرف انرژی در آن پایین، روشی سالم برای محیط زست و دارای عملکردی ساده تر میابشد که میتواند هیدروژن و اکسیژن را هم زمان جدا سازی کند و هیدروژنی با خلوصی در حدود 99.9995% را به ما بدهد که برای استفاده در پیل سوختی بسیار مهم است که درجه ی خلوص بالا باشد.
تاریخچه الکترولیزر
تاریخچه صنعتی الکترولیز آب برای اولین بار، به سال 1800 بر می گردد زمانی که کارلیز14 و نیکلسون15 (شکل 1) به تازگی خاصیت الکتریکی آب را کشف کردند. در سال 1902 بیشتر از 400 واحد الکترولیز آب صنعتی شروع به فعالیت کردند و در 1939 کارخانه الکترولیز آب بزرگی با ظرفیت 1000m3 /hr شروع به کار کرد. 1948، اولین الکترولایزر صنعتی که دارای فشار تنظیم شده بود، توسط آقای ازدنسکی16 ساخته شد. و در 1966 اولین سیستم الکترولایزر پلیمر جامد17(SPE) توسط جنرال موتور الکتریک18 ابداع گردید تا اینکه در سال 1972 اولین واحد الکترولیز آب اکسید جامد، توسعه پیدا کرد و اولین سیستم قلیایی توسعه یافته در 1978 آغاز به کار نمود تا امروز که با پیشرفت روش های الکترولیز، از غشای تبادل پروتون برای فرآیند الکترولیز استفاده می گردد

شکل 1 الکترولیزر ساخت کارلیز و نیکلسون
دلیل استفاده از هیدروژن در پیل سوختی
از آنجا که پیل سوختی در دو نوع کلی دما بالا و دما پایین تقسیم بندی میشود ما میتوانیم در دما بالا ها به جز هیدروژن از سوخت هایی نظیر به ذغال سنگ، هیدروکربن های سنگین، گاز طبیعی و متانول استفاده کنیم اما از آنجا که هیدروژن را میتوان از روشهای تجدید پذیر نیز به دست آورد و برای بالا بردن راندمان کاری در پیل نیز به شدت موثر است به دیگر سوخت ها ترجیح داده میشود و یکی از دلایلی که پیل های دما پایین سرعت رشد بیشتری دارند این است که در آنها از هیدروژن خالص استفاده میشود (در دما بالا ها نیز امکان استفاده از آنها وجود دارد اما به دلیل بالا بودن دما گاز طبیعی را ترجیح میدهند) که مزیت مهم این اتخاذ این میباشد که تنها خروجی در پیل های سوختی هیدروژنی آب است.
پیل سوختی

پیل سوختی19، وسیله ای است الکترو شیمیایی و ساکن که از واکنش های شیمیایی، الکتریسیته و گرما تولید میکند این تبدیلات به صورت مستقیم انجام میشود و هر پیل دارای 3 بخش اساسی است: آند، کاتد و الکترولیت که وظیفه ی تولید انرژی به صورت سیستماتیک را بر عهده دارند.عملکرد در پیل های سوختی شبیه به باطری ها نیست و عملأ نیرو را ذخیره نمیکنند بلکه نیاز به باطری برای ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده توسط پیل را دارند.اگر بخواهیم پیل های سوختی را تقسیم بندی کنیم در دو دسته پیل های سوختی آلی و فلزی تقسیم بندی میشوند و مزیت مهم پیل های سوختی این است که دارای تنوع زیادی در بخش های به کارگیری هستند از استفاده در ساختمانهای انرژی صفر20 گرفته تا تولید برق در نیروگاه ها، زیر دریایی ها، بیمارستان ها، مراکز رایانه ای، سفینه های فضایی، کشتی ها، هواپیماها، کارخانه ها و در خودروها اعم از اتوبوس ها، کامیون ها، مینی بوس ها و سواری ها میتوان پیل سوختی را به کار برد.
مزایا و معایب پیل های سوختی
پیل های سوختی دارای مزایای بسیار زیادی در بخش کاربرد میابشند از جمله:
بازدهی بالا، سازگاری با قوانین محیط زیست، تنظیم سیستم بر حسب نیاز، انعطاق پذیری نسبت به سوخت، افزایش تولید و کاهش توزیع، عدم نیاز به تعمیر، قابل حمل بودن و سبک بودن، چگالی انرژی بالا، صدای کم و به خیلی مسایل دیگر میتوان اشاره کرد
معایب پیل های سوختی در بخش کاربرد:
قیمت پلاتین مورد استفاده در آن در حال حاضر گران است اما با پیشرفت های موجود امید به رفع آن وجود دارد.از دیگر معایب آن به کند بودن استفاده از آن باز میگردد که این ایراد بیشتر متوجه دولت ها است تا خود پیل
پیل های سوختی پلیمری
دلیل نامگذاری پیل های سوختی غشاء پروتون (پلیمری)21 این است که جنس الکترولیت آن از پلیمر اسید سولفونیک آغشته به فلوئور یا پلیمرهای مشابه است و اولین بار از آن در دهه 1960 در سازمان فضایی ناسا22 استفاده شد و جز دسته پیل های با دمای پایین میباشد که در محدوده دمایی 80 درجه سانتیگراد کار میکند که در ساختمان آنها به مانند همه ی پیل ها برای شکافتن هیدروژن از کاتالیزور استفاده میشود که بهترین کاتالیزور در آنها پلاتین است.از دیگر مزایای این نوع پیل داشتن چگالی بالاست که باعث شده بسیار مورد توجه صنعت های مختلف از جمله خودرو سازی قرار بگیرد
اساس کار در پیل های سوختی پلیمری
هیدروژن (سوخت) به آند و اکسیژن (اکسیدان) به کاتد تزریق می‌شود. هر اتم هیدروژن یک پروتون و یک الکترون دارد که با از دست دادن الکترون در آند به پروتون (H+) تبدیل می‌شود و به این ترتیب قابلیت عبور از الکترولیت را بدست می‌آورد. (الکترون‌ها نمی‌توانند ازالکترولیت عبور کنند). H+ از الکترولیت عبور می‌کند و الکترون‌ها از طریق اتصال خارجی به کاتد می‌رسند. در کاتد اکسیژن جذب شده روی کاتد و پروتون‌ها تشکیل آب می‌دهند که از سیستم خارج می‌شود. با قرار دادن موتور الکتریکی در مسیر جریان الکتریکی سیستم پیل سوختی کامل می‌شود و ما به انرژی الکتریکی و حرارتی پاک دسترسی میابیم
شکل 2 اساس کار پیل سوختی پلیمری را با توجه به توضیحات بالا را شرح میدهد:

شکل 2 نحوه کار پیل سوختی

شکل 3- اولین پیل سوختی ساخته شده در دنیا توسط گروو را نمایش میدهد که در آن آب الکترولیز شده با عبور از جریان الکتریکی به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میشود و منبع تغذیه را با یک آمپر سنج تعویض کرد و به جریان الکتریسیته رسید

نتیجه گیری

در این مقاله سعی شده بود که نگاه کلی داشته باشیم به تولید هیدروژن از طریق الکترولایزر و استفاده از آن در پیل سوختی پلیمری برای تولید انرژی پاک و تجدیدپذیر،هرچه بیشتر به سمت آینده حرکت میکنیم استفاده از پیل های سوختی در صنایع رشد بیشتری به خود میگیرد و این صنعت هر روز در حال به روز شدن است. نتایج حاصل از این تحقیق و تمامی تحقیق ها در زمینه پیل سوختی بر این باور استوار است که استفاده از پیل های سوختی هیدروژنی کمک شایانی به کاهش دی اکسید کربن و گازهای گلخانه ای میکند و حتی میتواند پایانی باشد بر استفاده از انرژی های تجدید ناپذیر.به امید روزی که هوایی داریم که مُمِد حیات است و مُفَرَحِ ذات

پی نوشت:

شهاب نوشمند کارشناسی ارشد مکانیک تبدبل انرژی
09183195734
08138320128