دانلود تحقیق 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.
کاربردهای پیل سوختی نیروگاهی
بازار مولدهای نیروگاهی پیل‌سوختی بسیار گسترده است و کاربردهای دولتی، نظامی و صنعتی را شامل می‌شود.

همچنین به عنوان نیروی پشتیبان در مواقع اضطراری در مخابرات، صنایع پزشکی، ادارات، بیمارستان‌ها، هتل‌های بزرگ و سیستم‌های کامپیوتری به کار می‌رود.
پیل‌های سوختی نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت تولید برق محلی مناسبند.

علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.
این نیروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهی الکتریکی بالایی دارند و همچنین در ترکیب با نیروگاه‌های گاز طبیعی بازدهی الکتریکی آنها به 70-80% می‌رسد.
مزیت دیگر این نیروگاه‌ها عدم آلودگی محیط زیست است.

خروجی نیروگاه‌های پیل‌سوختی بخار‌آب می باشد.

خروجی نیروگاه‌های پیل‌سوختی بخار‌آب می باشد.

نیروگاه‌های پیل سوختی قابلیت استفاده از سوخت‌های مختلف مانند متانول، اتانول، هیدروژن، گاز طبیعی، پروپان و بنزین را دارند و مانند سایر نیروگاه‌ها محدود به استفاده از یک منبع انرژی خاص نیست.

از زمانیکه اولین پیل‌سوختی نیروگاهی در دهه 60 تولید گشت، تا کنون در مجموع 650 سیستم کامل با توان بیش از 10 کیلووات (میانگین آن 200 کیلووات است) ساخته شد.

تقریباً 90 درصد از این واحدها با گاز طبیعی تغذیه می شود.

البته استفاده از سوخت‌های جایگزین نظیر بیوگاز و گاز ذغال نیز پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است.

در این بخش نیروگاه انواع متنوع پیل‌سوختی به کار رفته است.

در ابتدا از پیل‌سوختی اسید فسفریک آغاز گردید و سپس پیل‌سوختی پلیمری و پیل‌سوختی کربنات مذاب جایگزین آن گشتند.

در حالیکه پیل‌سوختی اکسید جامد در آینده بازار را به قبضه در خواهد آورد.

در بخش پیل‌های سوختی نیروگاهی کوچک (زیر 10 کیلووات) نیز رشد قابل ملاحظه‌ای را شاهد بودیم.

تعداد این واحدها اکنون به 1900 رسیده است.

این سیستم جهت مصارف خانگی و بازارهایی از قبیل UPS ونیروی پشتیبان در اماکن دوردست کاربری دارد.

نیمی از محصولات در آمریکای شمالی توسعه یافته است.

در بخش سیستم‌های نیروگاهی کوچک 20 درصد سهم بازار را پیل‌سوختی اکسیدجامد و مابقی را پیل‌سوختی پلیمری تشکیل می‌‌دهد.

بازار پیل‌سوختی کوچک در ژاپن که به مصارف خانگی اختصاص دارد، منحصراً با پیل‌سوختی پلیمری است و امید است تا انتهای سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.

فروش تعدادی از واحدهای نیروگاهی کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سیستم GenCore شرکت Plug Power می باشد(توان 5 کیلووات، 15000 دلار) دولت ژاپن حمایت خود از توسعه پیل‌های سوختی نیروگاهی در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت های ژاپنی گاز توکیو و Osaca از بزرگترین شرکت های توسعه دهنده این فن‌آوری می‌باشند.

یکی دیگر از انگیزه های وسوه برانگیز بکارگیری پیل سوختی شرکت جنرال موتورز قصد دارد با برنامه ای بلند مدت، سوخت هیدروژن را به صورت همه گیر در خودروها مورد استفاده قرار دهد.

در حال حاضر شش میلیارد و 400 میلیون انسان بر روی کره زمین زندگی می‌کنند و این آمار تا سال 2020 به هفت میلیارد و 500 میلیون نفر خواهد رسید.

در همین حال پیش‌بینی می‌شود، در مدت زمان فوق شمار افرادی که صاحب خودرو می‌شوند 12 تا 15 درصد رشد داشته باشد و این بدان معنی است که تعداد خودروها که در حال حاضر در حدود 775 میلیون دستگاه برآورد شده است، تا سال 2020 به بیش از یک میلیارد و 100 میلیون دستگاه خواهد رسید.

بنابراین کاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های محیط زیست اهمیت بسیار زیادی پیدا می‌کند که در این میان شرکت خودروسازی جنرال موتورز آمریکا با معرفی تکنولوژی پیل سوختی هیدروژنی توانسته است امید به جابجایی بدون آلودگی رادر آینده افزایش دهد.

لذا توسعه خودروهای پیل سوختی به سرعت در جهان در حال رشد است، به طوری که در حال حاضر شرکت‌های خودروسازی جنرال موتورز و اوپل بیش از یک میلیارد دلار صرف تحقیقات در این تکنولوژی کرده‌اند.

"هیدروژن 3 اوپل" ثابت کرده است که رانندگی با خودروهای متفاوت، مسیر خود را از آزمایشگاه به جاده هموار کرده است و نمونه اولیه آن در حال حاضر با همکاری شرکت سازنده مبلمان ایکیا (IKEA) در حال گذراندن آزمایشهای متفاوت است و سکوئل (Seqel) جنرال موتورز به تولید خودروهای با پیل سوختی نزدیک‌تر شده است.

"هیدروژن 3 اوپل" دونده دو ماراتن، قهرمان مسابقات رالی "هیدروژن 3 اوپل" جانشین نمونه اولیه هیدروژنی است که در بهار سال 2000 معرفی شد و از روی طرح خودرو زافیرا اوپل ساخته شده بود.

نیروی برق این خودرو توسط 200 قطعه پیل سوختی که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند، تولید می‌شود.

این پیل‌ها نیروی موتور برقی 82 اسب بخار بر 60 کیلووات هیدروژن 3 را تامین می‌کند.

این نیروگاه که حداکثر 215NM گشتاور توسعه می‌دهد، حداکثر سرعتی برابر با 160 کیلومتر بر ساعت تولید می‌کند و در کمتر از 16 ثانیه از صفر تا 100 کیلومتر در ساعت شتاب می‌گیرد که در حالتی کاملا بی‌صداست.

در مسابقات ماراتن تابستان سال 2004، هیدروژن 3 اوپل توانست بدون هیچ مشکلی 9 هزار و 696 کیلومتر را در 14 کشور مختلف اروپایی طی کند.

در آوریل سال 2005 نیز این خودرو توانست جایزه مسابقات رالی مونت کارلو را برای وسایل نقلیه دارای پیل سوختی از آن خود کند.

شرکت خودروسازی اوپل اکنون در حال گسترش تکنولوژی آزمایشهای پیل سوختی با همکاری شرکت سوئدی ایکیا می‌باشد.

وسایل نقلیه پیل سوختی هیدروژن 3 که عاری از آلاینده‌های زیست محیطی می‌باشد از اوایل تابستان سال گذشته تحویل کالاها به مشتریان ایکیا را در برلین آغاز کرده است.

سوخت این وسایل نقلیه با هیدروژن مایع تامین می‌شود.

آزمایشهای این خودروها تحت نظارت پروژه همکاری انرژی پاک دولت آلمان انجام می‌شود که عملکرد انرژی 17 خودرو با سوخت هیدروژنی را تحت شرایط خاص آزمایش می‌کند.

بزرگترین جایگاه سوخت گاز هیدروژنی جهان در پاییز سال 2004 در پایتخت آلمان آغاز به کار کرد و قرار است علاوه بر گاز هیدروژن و هیدروژن مایع، بنزین و گازوئیل نیز به مردم ارایه کند.

سکوئل جنرال موتورز خودروی سکوئل جنرال موتورز محصولی است که تمامی نتایج تحقیقات فشرده که طی چند سال اخیر از سوی بزرگترین خودروساز جهان انجام شده است را در بر دارد؛ پروژه‌ای که جنرال موتورز بیش از یک میلیارد دلار در آن سرمایه‌گذاری کرده است.

این خودرو جادار به گونه‌ای طراحی شده است که کمترین آلایندگی محیط زیست را دارد.

در این خودرو سه منبع با فشار بالا تعبیه شده است که موقعیت آنها در میانه شاسی باعث بهبود مرکز ثقل خودرو می‌شود.

این خودروها که از اصلاحات فنی بسیار زیادی نیز بهره‌مند می‌باشند منحصر به فرد هستند.

خودروی سکوئل جنرال موتورز به دلیل افزایش 25 درصدی نیرو توسط تکنولوژی جدید می‌تواند سرعت صفر تا 100 کیلومتر را در کمتر از 10 ثانیه به دست آورد.

اجزای پیل سوختی شامل توده پیل سوختی، دستگاه فرعی هیدروژن و فرآوری هوا، سیستم خنک کننده و سیستم توزیع ولتاژ بالا می‌باشد.

فناوری های مصرف هیدروژن - پیل سوختی Hydrogen & fuel cell در حال حاضر با توجه به بحران انرژی، محدودیت سوخت های فسیلی و مشکلات ناشی از آلودگی های سوخت های فسیلی، استفاده از منابع جدید انرژی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است، در همین راستا دیدگاه نوینی برای استفاده از هیدروژن با توجه به خصوصیات منحصر به فرد آن ایجاد شده است.

از جمله خصوصیات هیدوژن می توان به فراوانی، انتشار بسیار ناچیز آلاینده ها، برگشت پذیر بودن چرخه تولید آن و کاهش اثرات گلخانه ای اشاره نمود.

کاربرد هیدروژن به عنوان سوخت موجب کاهش آلاینده های زیست محیطی و حذف اکسیدهای گوگرد و اکسیدهای کربن ناشی از احتراق سوخت های فسیلی می گردد.

عوامل فوق سبب شده است تا خودروهای پیل سوختی مورد توجه قرار گیرند.

این فناوری از جهت عدم تولید آلاینده هایی مانند اکسیدهای نیتروژن، مونوکسید کربن و هیدروکربن های نسوخته، بی همتاست.

پیل های سوختی نوعی مبدل انرژی می باشند که انرژی شیمیایی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می نمایند.

پیل های سوختی همانند باطری ها عمل می کنند اما بر خلاف باطری ها مادامی که به آنها سوخت رسانده شود، از کار نمی افتند وبه شارژ مجدد احتیاجی ندارند.

پیل های سوختی پتانسیل شیمیایی هیدروژن را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و محصول جانبی آن، آب و حرارت می باشد.

هیدروژن مورد نیاز پیل های سوختی را می توان از منابع مختلفی همانند منابع هیدروکربنی نظیر نفت خام، گاز طبیعی، زغال سنگ و ...

و منابع تجدید پذیر نظیر باد و خورشید به دست آورد.

پیل های سوختی دامنه کاربرد وسیعی از موارد مصرف را از سفینه های فضایی تا تأمین انرژی وسایل کوچک الکترونیکی شامل می شود.

منبع تغذیه تلفن همراه منبع تغذیه قابل حمل در Notebook امروزه تلاش ها جهت حضور پیل های سوختی در صنایع نیروگاهی، حمل و نقل و کاربردهای قابل حمل به مرحله تجاری شدن نزدیک شده است.

خودروی پیل سوختی اتوبوس پیل سوختی راندمان و نشر آلاینده های زیست محیطی خودروهای پیل سوختی به مراتب از خودروهای رایج مناسب تر می باشد، همچنین پیل های سوختی به عنوان نسل چهارم نیروگاه ها در آینده امکان توسعه سیستم های غیر متمرکز تولید انرژی را فراهم می سازند.

امکان استفاده از سوخت های فسیلی همانند متانول و یا گاز طبیعی در پیل های سوختی تا زمان دستیابی به زیرساخت های لازم جهت ارائه هیدروژن به پیل های سوختی از دیگر مزایای کاربردی این سیستم ها می باشد.

امروزه همه تولید کنندگان عمده خودرو بر روی تولید تجاری خودروهای پیل سوختی سرمایه گذاری نموده اند، همچنین پیل های سوختی می توانند به عنوان مولد انرژی اتوبوس ها، قایق ها، هواپیماها و حتی دوچرخه ها مطرح شوند.

از پیل های سوختی در مقیاس کوچکتر، می توان در کاربردهای قابل حمل از جمله تلفن های همراه، کامپیوترهای قابل حمل و ...

استفاده نمود.

تکنولوژی پیل سوختی همانند هر تکنولوژی جدید دیگر در ابتدای تولید، قیمت محصولات آن زیاد است اما با تولید تجاری محصول درمقیاس وسیع و افزایش میزان تقاضا و توسعه فناوری، قیمت به میزان قابل توجهی کاهش خواهد یافت.

از مهم ترین مزایای پیل های سوختی می توان به تولید دی اکسید کربن و اکسید نیتروژن کمتر به ازای هر کیلووات از برق تولیدی و عدم وجود قطعات متحرک زیاد اشاره نمود.

پیل های سوختی می توانند از انواع گازها شامل گاز طبیعی، پروپان، گاز حاصل از دفنگاه های زباله، متانول و هیدروژن به عنوان سوخت استفاده کنند.

منبع تغذیه قابل حمل ساخت شرکت Ballard برخی از این پیل های سوختی نظیر پیل های سوختی اکسید جامد و کربنات مذاب، گاز طبیعی را به صورت مستقیم مصرف می نمایند و در برخی از آنها نظیر پیل های سوختی پلیمری و اسید فسفریکی به کمک یک رفورمر، گاز طبیعی به هیدروژن تبدیل شده و مورد مصرف قرار می گیرد، همچنین در پیل سوختی متانولی ، متانول مستقیما جهت استفاده به پیل سوختی وارد می شود.

پیل های سوختی می توانند در بخش های مختلف تولید انرژی الکتریکی نیروگاهی حضور یابند.

این حوزه ها عبارتند از هتل ها، مدارس، بیمارستان ها، ساختمان های اداری و محل های خرید.

پیل سوختی در کاربری های خانگی کشور ایران از یک سو با بالا بودن مصرف سالیانه سوخت و از دیگر سوی با عدم توسعه یافتگی مناسب فناوری در صنایع خودرو و نیروگاهی روبروست و عدم توجه به مشکلات ناشی از آلودگی های زیست محیطی نیز موجب مشکلات جدی زیست محیطی در کلان شهرها شده است.

توسعه فناوری پیل های سوختی می تواند یک راه حل مناسب جهت توسعه پایدار و بلند مدت باشد.

بهبود کارایی پیل‌های سوختی با الکترولیت‌های پلیمری دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست(MIT)، لایه‌های نازک الکترولیتی پلیمری جدیدی را تولید کردند که دارای رسانش یونی بالایی است دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست(MIT)، لایه‌های نازک الکترولیتی پلیمری جدیدی را تولید کردند که دارای رسانش یونی بالایی است؛ این لایه‌های نازک برای پیل‌های سوختی اصلاح‌شده، باتری‌ها و پیل‌های خورشیدی بسیار نویدبخش هستند.

قطعات الکتروشیمیایی برای تسهیل انتقال بار بین الکترودها، به الکترولیت‌ها وابسته هستند؛ اما مشکلات مربوط به این فرایندها در الکترولیت‌های مایع یا ژلی و موارد مربوط به ایمنی آنها، استفاده روزافزون از این قطعات را محدود کرده‌است، این در حالی است که الکترولیت‌های پلیمری از استحکام مکانیکی و انعطاف‌پذیری بالایی در فرایند ساخت برخوردارند.

نکته حائز اهمیت این است که این پلیمرها باید رسانش یونی مناسبی داشته باشند.

پائولا هموند و همکارانش، از آرایش لایه‌به‌لایه(LBL) در ساخت لایه‌های نازک، از دو نوع پلیمر مختلف استفاده کردند.

این دو پلیمر با در کنار هم قرار گرفتن، دارای رسانش بالا و پایداری مکانیکی می‌با‌شند.

هموند می‌گوید:"ما یک لایه نازک در حالت جامد را با آرایش لایه‌به‌لایه ایجاد کردیم که رسانش یونی آن سه برابر بیشتر از بهترین نوع فیلم‌های چندلایه قبلی است.

رسانش پروتونی این رساننده یونی جدید، به رسانش پلیمرهای تخصصی گران‌تر، بسیار نزدیک است، که این امر منجر شده تا این روش به‌عنوان رقیب سرسختی برای پیل‌های سوختی و کاربردهای دیگر الکترولیت‌های حالت جامد به شمار رود." آنها یافتند که با سولفوردار کردن یک پلی‌اترآروماتیک ـ که از نظر مکانیکی و حرارتی پایدار است ـ و جفت کردن آن با یک پلیمر مکمل، می‌توان رسانش یونی‌ای در حد 35.3 MS cm-1 و یا بیشتر ایجاد نمود.

چند لایه ایجادشده نسبت به اتانول نیز نفوذپذیری بسیار کمی دارد، همین امر منجر به مورد توجه قرار گرفتن این پلیمر برای استفاده از آن در پیل‌های سوختی متانول مستقیم(DMFC) شده‌است.

نافیون(Nafion) ماده غشایی استانداردی است که از آن در پیل‌های سوختی متانول مستقیم استفاده می‌شود؛ اما نفوذپذیری این ماده نسبت به متانول بیشتر است که این مسئله بازده پیل‌های سوختی را کاهش می‌دهد.

همود می‌گوید:"استفاده از این مواد چندلایه در یک پیل سوختی متانول مستقیم می‌تواند بیش از 50 درصد از توان خروجی را افزایش دهد." اگرچه این پلیمرهای چندلایه روی سطح نافیون رشد داده می‌شدند؛ این گروه تحقیقاتی موفق به ساخت این لایه‌ها بدون نیاز به زیرلایه نافیون شدند.

هیدروژن سوخت مصرفی پیل ها هیدروژن به علت عدم الایندگی محیط زیست، عدم تولید دی اکسید کربن و در نتیجه عدم تاثیر در گرم شدن کره زمین، چگالی انرژی بالا(در حالت مایع)و امکان استفاده درمصارف گوناگون به عنوان سوخت نهایی مطرح شده است.

اولین بار در سال 1970 شرکت جنرال موتورز،واژه عصر هیدروژن (Hydrogen Economy) را به یک سیستم انرژی بر پایه تولید،ذخیره،توزیع ومصرف سوخت هیدروژن اطلاق نمود.هیدروژن عنصری فراوان درطبیعت به شمارمی اید.

مولکول های آب،سوختهای فسیلی و مواد آلی ،غنی ازهیدروژن می باشند.

روشهای تهیه هیدروژن تبدیل سوختهای فسیلی به هیدروژن که به دو روش زیر انجام می گیرد.

1-الف)مبدل گاز طبیعی از نوع سیستم بخار ب) مبدل هیدرو کربن های مایع با روش اکسداسیون جزیی 2-الکترولیزآب 3-روش فتوالکترو شیمیایی 4-روش بیولوژیکی 5-تجزیه حرارتی آب ( با حرارتی بالغ بر 3000 درجه ) بخش تولید انرژی (سری پیل سوختی) پیل سوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیای سوخت را مستقیما به انرژی الکتریکی تبد یل می کند ( مطابق شکل زیر) درقسمت آند هیدروژن اکسید شده و به پروتون و الکترون تقسیم می شود الکترون تولید شده درآند وارد مدار خارجی شده سپس به کاتد وارد می شود.

پروتون با عبور ازغشاء (الکترولیت) به سمت کاتد رفته و در حضور کاتالیزوربا اکسیژن هوا و الکترونی که ازمدار خارجی به قسمت کاتد وارد شده است به آب تبد یل می گردد پیل سوختی بر خلاف باتری احتیاجی به شا رژشدن ندارد تا مدتی که سوخت ان تامین شود به کارکرد خود ادامه خواهد داد پیل سوختی در سا ل1839 توسط سرویلیام گرو(Sir W.Grove) ساخته شد.

ویلیام گرو درساخت پیل سوختی ازاسید سولفوریک به عنوان الکترولیت, اکسیژن به عنوان اکسید کننده و هیدروژن به عنوان سوخت استفاده کرده بود.

در حال حاضر بخش اعظم آ لودگی هوا در جهان ناشی ازگازهای تولیدی از موتورهای احتراق داخلی می باشد با استفاده از پیل سوختی به عنوان مولد انرژی خودرو میزان الایندگی(مونوکسید و دی اکسید کربن و اکسید های نیتروژن) کاهش چشمگیری خواهد یافت از آنجایی که در پیل سوختی انرژی شیمیایی مستقیما به الکتریسیته تبدیل می شود راندمان پیل سوختی از موتورهای احتراق داخلی بسیار بالا تر می باشد.

که در شکل زیر نحوه عملکرد یک پیل نشان داده شده است پیل سوختی اسید فسفوریک (PAFN) : اسید فسفریک بهترین نوع الکترولیت اسیدی برای پیل های سوختی به شمار می آید.

در پیل سوختی اسید فسفریک نیز مانند هر پیل سوختی دیگر واکنش اکسیداسیون سوخت در آند صورت گرفته و هیدروژن به پروتون والکترون تبدیل میگردد.

الکترون تولید شده در آند وارد مدار خارجی پیل میگردد و پروتون تولید شده از طریق الکترولیت وارد کاتد شده و طی یک واکنش با اکسیژن و الکترون به آب تبدیل میشود.

این پیل سوختی نیز مانند پیل های سوختی کربنات مذاب و اکسید جامد در درجه حرارت بالاتر از 100 درجه کار میکند.

بهترین دمای عملکرد پیل سوختی اسید فسفوریک 190 تا 210 درجه سانتیگراد میباشد.

ازآنجا که دمای کارکرد این پیل در مقایسه با پیل های سوختی قلیایی و پلیمری زیاد است, آب تولیدی در این سیستم به راحتی تبخیر شده لذا مدیریت آب و حرارت این سیستم ساده تر می باشد.در طول 25 سال گذشته شرکتهای گوناگونی از جمله وستینگهاوس, سانیو, انگلهارد, fule cell international , توشیبا, میتسوبیشی, فوجی و هیتاچی در زمینه توسعه نیروگاه های پیل سوختی اسید فسفوریک به تحقیق و توسعه پرداخته اند.

یکی از مشکلات فراروی پیل های سوختی الکترو شیمیایی در دهه 1960 واوایل دهه 1980 سمی شدن کاتالیست در اثر مجاورت با گاز منو اکسید بود که در سوخت های خروجی از مبدل سوخت وجود داشتند.یکی از پیشرفت های قابل توجه در زمینه پیل های سوختی اسیدفسفوریک کشف این مطلب بود که با افزایش دمای عملیاتی ازمیزان حساسیت آن نسبت به CO کاسته می شود.

در دمای عملیاتی بالاتر از 180 درجه سانتیگراد سیستم پیل سوختی اسید فسفریک در برابر منو اکسید کربن تا میزان 1 تا 2 درصد در سوخت مصرفی مقاوم است .

کربن یکی از مهمترین مواد مورد استفاده در سری پیل های الکترو شیمیایی می باشد.

کربن در موارد گوناگونی از جمله ساخت صفحه متخلخل کربنی مورد مصرف در الکترودها و کربن گرافیتی برای تهیه صفحات دو قطبی استفاده می شود الکترو کاتالیست استفاده شده در الکترود پیل سوختی اسید فسفریک عبارت است از پودر کربن فعال که بر روی سطح آن پلاتین نشانده شده است.

پودر کاتالیست با کمک ذرات تفلن بر روی صفحات متخلخل کربن به صورت یک لایه نازک قرار میگیرد.(تفلن 30% ) وجود تفلن جهت ایجاد خاصیت آب گریزی ضروری است.

مزایای پیل های سوختی اسید فسفوریک : · چون دمای عملکرد این پیل ها حدود 200 درجه است در ساختمان آنها نیازی به استفاده از مواد مقاوم در برابر بالا نمی باشد.

· وجود دی اکسید کربن در سوخت بازدهی آنها را کاهش نمی دهد.

· از آب گرم و هوای خروجی آنها میتوان برای گرم کردن آب و هوا محیط استفاده نمود.

· در خروجی آنها تا 5 ppm اکسید های نیتروژن وجود داشته ولی اکسیدهای گوگرد وجود ندارد.

.

پیشرفت و بهینه سازی پیل سوختی اسید فسفریک نسبت به بقیه پیل ها بهتر بوده است به طوری که حدود 250 واحد تولید انرژی از این نوع تا سال 1996 در سر تا سر دنیا مشغول به کار بوده است.

معایب پیل های سوختی اسید فسفریک : · بازدهی این پیل نسبتا پایین است و به حدود 40% می رسد.

· کاتیالیزور سوخت به کار رفته در آن گران قیمت میباشد.

· در فواصل کوتاه به سرویس شدن نیاز می باشد.

· نسبت به غلظت های بالای منو اکسید کربن حساس می باشند.

با توجه به خورنده بودن الکترولیت انتخاب مواد به کار رفته در ساختمان آنها با محدودیت همراه است.

کاربرد های پیل های سوختی اسید فسفریک : · در انواع نیروگاها اعم از کوچک و بزرگ و سیکل های ترکیبی به کار میروند.( تاکنون در بیمارستان ها ,هتل ها, مدارس و فرودگاها از این نوع پیل استفاده شده است) · در کشتی های مسافربری, کشتی های باری و زیردریایی ها مورد استفاده قرار می گیرند.

(هنگامی که در وسایل حمل و نقل دریایی از آنها استفاده میشود باید آسیب های ناشی از نمک و تلاطم دریا را در نظر گرفت).

· در اتوبوسها ولکوموتیوها نیز به کار رفته است.

· وزارت دفاع امریکا این پیل ها را به مثابه نیروگاهایی با توان 200 کیلو وات در 30 نقطه از این کشور نصب کرده است.

این نیروگاها تاکنون بیش از نیم میلیون ساعت کار مفید داشته اند.

· PC25 نوعی پیل سوختی اسید فسفریک است.

که راندمان الکتریکی آن 40% است.

در سیکل های ترکیبی بازدهی آن به 85% میرسد.

ساختمان آن مدولار, ساده و فشرده میباشد و قابل کنترل از راه دور است.

صدا و لرزش آن بسیار کم و الاینده های خروجی آن فقط گازهای گلخانه ای میباشند.

با استفاده از هر pc25 سالانه 18 تن الاینده کمتر به هوا وارد می شود.

کاربردهای پیل های سوختی درکشورهای مختلف راه اندازی نیروگاه پیل سوختی در شهر نیویورک : · انجمن انرژی نیویورک (NYPA) هشت پیل سوختی ساخت شرکت UTC Fule Cell را جهت راه اندازی کارخانجات تصفیه فاضلاب شهر نیویورک نصب نموده است.

این مولد ها از نوع پیل سوختی اسید فسفریک PC25 با قدرت KW200 بوده و نیروی مورد نیاز چهار کارخانه تصفیه فاضلاب در مناطق بروکلین , استین آیلند, برانکس , و کویینز را تامین می کنند.

گاز حاصل از فرایند تصفیه فاضلاب سوخت مولد پیل سوختی را فراهم می سازد.

· مولدهای برقی درون سوز برای تولید یک هزار کیلو وات ساعت برق حدودا 12 کیلو گرم آلایندگی تولید می کنند.

در حالی که مولد PC25 برای تولید همین میزان برق کمتر از 18 گرم آلایندگی تولید می کنند.

این مولد ها علاوه بر 200 کیلو وات برق , 900000 BTU در ساعت حرارت تولید کرده که میتواند صرف گرم کردن محیط و تهیه آب گرم شده یا در چیلرهای جذبی و دستگاههای تهویه مطبوع مورد استفاده قرار گیرد.

· بااضافه شدن این هشت واحد درحال حاضر17مولد پیل سوختی, برق مورد نیاز تاسیسات مختلف شهری نیویورک ازجمله پاسگاه پلیس, پارک مرکزی منهتن, بیما رستان مرکزی شمال برانکس, بیمارستان st.Vincent استیتن ایلند وساختمان Conde Nast در 4 Times Square را تامین می کنند .

· شرکت UTC Fuel Cellsدر خلال سا ل 2001 اولین مولد های پیل سوختی را درامریکای جنوبی, چین و انگلستان نصب کرد وبزرگترین سیستم پیل سوختی دنیا با توان 2/1مگاوات رادر تاسیسات منطقه Middletown ایالت کنتیکات امریکا راه اندازی نمود .

پیل سوختی خانگی در کشور سوید : · ژانویه 2002 شرکت Fule Cell Technologies اعلام کرد که سه نیروگاه پیل سوختی اکسید جامد را به عنوان نیروگاه خانگی در شهر استکهلم راه اندازی خواهد نمود .

این اولین فروش مولد های نیروگاهی 5 کیلو واتی اکسید جامد شرکت Fule Cell Technologise به بازار اروپا می باشد.

· نصب این مولد ها قسمتی از طرح ایجاد یک منطقه مسکونی جدید در شهر استکهلم خواهد بود.

بر اساس این طرح انرژی 8000 واحد مسکونی از انرژی های تجدید پذیر تامین خواهد شد.

این برنامه شامل استفاده از مولد پیل سوختی شرکت FCT با مصرف گازهای فاضلابی به عنوان سوخت می باشد.

· مولد های 5 کیلو واتی FCT از نوع تولید دو منظوره بوده و به طور همزمان برای تامین آب داغ و گرمایش محیط, برق و حرارت تولید کرده و سوختشان از گازهای فاضلابی (biogas) تامین می شود.

راندمان این مولدها بالغ بر 90 درصد بوده , هیچ نوع آلودگی SOx منتشر نمی کنند و انتشار گاز دی اکسید کربن آن نیز ناچیز می باشد.

مولد پیل سوختی خانگی شرکت H Power نوامبر 2000 · H Power لام کرد که شرکت ملی کاز فرانسه Gas de France یکی از مولدهای پیل سوختی خانگی ساخت شرکت H Power را در یک خانه به طور آزمایشی نصب و راه اندازی کرده است .این پروژه طی 5 ماه کارکرد مولد پیل سوختی و ویژگی های آن از لحاظ راندمان , ایمنی و عملکرد مورد برسی قرار خواهد گرفت .

این مولد خانگی با گاز طبیعی کار می کند و تولید همزمان برق و آب گرم منزل را بر عهده دارد.

و این پروژه قرار است پس از طی مراحل آزمایشی به صورت گسترده مورد استفاده قرار گیرد.

· همچنین شرکت H Power تا به حال نمونه پیل سوختی دیگری را برای تولید برق و آب گرم در شهر کبک کانادا در اختیار Hydro – Quebec بزرکترین شرکت برق کانادا قرار داده است .

مولد پیل سوختی فوق با سوخت پروپانول کار می کند.

نصب مولد پیل سوختی نیروگاهی در آلمان · یک مولد پیل سوختی نیروگاهی کربنات مذاب با همکاری شرکت Fuel Cell Energy (FCE) و شرکت MTU زیر مجموعه شرکت دایملر کرایسلردر بیمارستانی در آلمان راه اند ازی شد.

این مولد برق با گاز طبیعی کار می کند و توان الکتریکی آن حدود KW 270 می باشد.

راندمان الکتریکی این مولدحدود 52% است .

این نیروگاه سالانه 25 درصد از الکتریسیته مورد نیاز این بیمارستان را تامین می کند.

همچنین بخار آب خروجی این مولد با حرارت بیش از 200 درجه سانتیگراد مورد استفاده بیمارستان قرار میگیرد.

·کل این پروژه با سرمایه گذاری 3 میلیون یورو انجام شده که 50 درصد آن را شرکت MTU تقبل نموده است.

· لازم به ذکر است که برای هر300 واحد از یک سری پیل سوختی از این نوع حدود 20000 ساعت کارکرد در نظر گرفته شده است.

پژوهشگران ایرانی‎ به‎ فناوری‎ ساخت‎ نخستین‎ خودروهای‎ پیل‎ سوختی‎‎ درکشور دسترسی پیـدا کردند.

همایون‎‎ معدل‎‎مدیرعامل شرکت‎ فناوری‎ هیدروژن بااعلام‎ این‎‎ خبر گفت‎‎: محققان شرکت فنـاوری‎ هیدروژن‎ دو سال‎‎ قبل با تجهیـز یـک‎ خـوروی‎ کوچک‎ مدل‎‎ به‎‎ سامانه پیـل سـوختی‎ توانمندی‎ خود رادراین‎ زمینه‎‎آزمایش‎ کردند که در صورت‎ تامین‎ منابع‎ مالی‎‎ مورد نیـاز, تـوانـایـی اجرایی‎‎ کردن‎ طرح‎ تولید خودروی‎ پیل‎ سوختـی در کشور وجود دارد.

وی‎ افزود: متخصصان‎‎‎ و پژوهشگران ایـن مرکز پیل‎ های‎‎ سوختی‎‎ پلیمـری ومتـانـولـی, الکترولایزرپلیمری‎‎ مجموعه‎ کامل‎ سیستم‎ های سخت‎ افزاری‎‎ و نرم‎ افزاریآزمایش‎ پیل‎ سوختی‎ و کیت‎ های‎ آموزشی‎‎ پیل‎ سوختی را ساختند که‎ یکی‎‎ از نخستین‎‎ محصولات‎ این مجموعه‎ پژوهشـی تولیدی‎‎ پیل‎ سوختی‎ پلیمری است‎ که‎ کاربـرد عمده‎ آن‎ در خورودها و مولدهای‎ خانگی‎ بـرق‎ است‎.

عضو هیات‎ علمی‎‎‎ دانشکده‎ فنی مهنـدسـی دانشگاه‎ تربیت‎ مدرس‎‎ تاکید کرد: بـر اسـاس مطالعات‎ کارشنـاسـان‎تـا ده‎ سـال‎ دیگـرمیلیاردها دلار بازار مصرف‎ برای‎ پیل‎ سوختی‎ در صنایع‎ مختلف‎ به‎ وجود می‎ آید ودر نهایت‎ خودروهـای‎‎ پیـل‎ سـوختـی‎ تمـام‎ بـازارهـای اتومبیل‎ دنیا را تصرف‎ خواهند کرد.

وی‎‎‎ تصریح‎ کرد: قابلیـت‎ هـای فنـاوری پیل‎ سوختی‎ تمام‎ شرکت‎ های‎‎ خودرو سـازی را به‎‎ سرمایه گذاری‎ و تولید صنعتی‎ این‎ قبیـل‎ خودروها تاقبل‎‎ از سال2010 متقاعد کـرده‎ و رقابت‎ شدیدی‎‎‎ برای توسعه‎ فناوری پیل‎ سوختی‎ درکشورهای‎ صنعتی‎ به‎‎ وجود آورده است‎.

آقای‎‎‎ معدل‎ در باره‎ مزایای خودروهـای پیل‎ سوختی‎‎ و اهمیت‎ دستیـابـی بـه‎ فنـاوری‎ تولید این‎ خودروها گفت‎: سامانه‎ هـای‎ پیـل‎ سوختی‎ به‎‎‎ علت‎ تولید نکردن‎ هر گونه آلاینده زیست‎‎ محیطی‎, راندمان‎ سوخت بسیـار بـالا در مقایسه‎ با سایر مولدهای‎‎ انـرژ,ی طول‎ عمـر بسیار زیاد قابلیت‎‎ رقابت از نظر هزینـه‎ های‎‎ تولید و قیمت‎ با سیستم‎ های متداول‎ در تولید انبوه‎, نداشتن‎ قطعات‎‎ و قـسمـت هـای‎ متحرک‎ در سیستم‎, آلودگی‎‎ صـوتـی نـاچیـز و کاهش‎ مصرف‎ سوخت‎ و امکان‎ استفاده‎ از منابع‎ تجدید پذیر برای‎ تولید هیدروژن‎ یا متانول‎ در مقایسه‎ با سیستم‎ های‎‎ متداول‎ برتری دارد.

نانو بیوتکنولوژی امروزه با استفاده از زمینه‌های علمی بین‌رشته‌ای، انقلاب صنعتی دیگری در جریان است.

این تحول در بهره‌برداری یکپارچه از قوانین فیزیک، خواص شیمیایی و مشخصات بیولوژیکی نهفته است.

در مطلب زیر، به معرفی برخی کاربردهای صنعتی نانوبیوتکنولوژی می‌پردازیم: ساخت حسگرهای شیمیایی بر اساس نانوبیوسیستم‌ها توسعه فناوری حسگرهای شیمیایی یکی از تحقیقات جدی در زمینه نانوبیوسیستم‌ها است.

حسگرهای شیمیایی با الهام از حساس‌ترین حسگرهای شیمیایی در بدن جانداران، یعنی بینی و سایر اعضای حسی طراحی شده‌اند.

طرز کار این حسگرها به این شکل است که ملکول مورد نظر (که باید وجود آن حس شود) به یک دریافت‌کننده زیستی در عضو می‌چسبد و باعث باز و بسته‌شدن یک کانال یونی که در پوسته سلول عایق قرار دارد، می‌شود.

بیشترین کاربرد حسگرها، در تولید حسگرهای بخار یا گاز و به‌طور اخص ساخت بینی الکترونیکی بوده‌است.

این عمل با استفاده از آرایه‌هایی از حسگرهای غیرتخصصی non-Specificو به‌کارگیری نرم‌افزار تشخیص الگو انجام می‌شود.

به کمک این نرم‌افزار، معین‌کردن بوها، گازها و بخارهای مختلف، دقیقاً مانند آنچه که در بینی حیوانات اتفاق می‌افتد، صورت می‌پذیرد.

توسعه حسگرهایی که بتوانند اجزای مخلوط گازها یا مایعات را در محیط صنعتی تشخیص دهند، از دیگر کاربردهای این حسگرها است.

حسگرهای چند‌منظوره‌ای که از پلیمرها، آنزیم‌ها یا سایر ترکیبات استفاده می‌کنند، مثال‌هایی از این مورد هستند.