تاريخچه انواع پیل سوختی | Renewable Energy | انرژی‌های …

نوشته شده در موضوع تولید انرژی رایگان در 11 فوریه 2018

انواع پيل‌سوختي و خصوصيات هر يك در جدول زير مشخص است.

تاريخچه پيل‌سوختي قليايي
فرانسيس بيکن آزمايشات خود در زمينه الکتروليت قليائي را در اواخر سال 1930 آغاز نمود و هيدروکسيدپتاسيم جايگزين الکتروليت اسيدسولفوريك که به تازگي توسط گرو کشف شده بود، گرديد. هيدروکسيدپتاسيم کارایي مشابه اسيد سولفوريك دارد ولي خورنده الکترودها نمي باشد. پيل بيکن همچنين از الکترودهاي نفوذ گاز متخلخل تشكيل شده بود. الکترودهاي متخلخل، مساحت سطح را افزايش داده موجب واکنش بين الکترود، الکتروليت و سوخت مي‌گردد. همچنين بيکن گازهاي فشرده را جهت جلوگیری از پديده طغيان به کار برد. پس از گذشت 12 سال، بيکن جهت ارائه پيل سوختی قليائي در مقياس بزرگ پيشرفت کافي ایجاد نمود.
در سال 1959 Allis-Chalmers یک تراکتور پیل سوختی ارائه نمود که توان سری پیل سوختی آن 15000 وات و متشکل از 1008 تک سل بود. این تراکتور قادر به کشیدن وزن 3000 پوند بود. Allice-Chalmer، برنامه‌هاي تحقيقاتي خود را با ساخت کاميون گلف، زيردريايي و جرثقيل ادامه داد. سازمان نيروي هوايي امريکا در اين برنامه‌ها مشارکت داشت.
شرکت Union Carbide در اواخر دهه1950 و 1960 آزمايشاتي را بر روي پيل‌هاي سوختی قليایي انجام داد. آنها پيل‌هاي ‌سوختي با الکترود نفوذ گاز از جنس کربن را در دستگاه رادار براي ارتش امريکا و به عنوان نيرومحرکه موتورسيکلت‌ به کار گرفتند. در همان زمان ادوارد جاستی از آلمان الکترودهاي نفوذ‌کننده گاز از جنس نیکل اسفنجی که بر روي ماتريس نيکل‌کربونيل نگهداري مي‌شدند را ارائه نمود.
در اوايل سال 1960 سازنده‌هاي موتورهاي هواپيماي Pratt و سازمان Whitney، ارائه دهنده گواهينامه به اختراعات بيکن و سازمان بين‌المللي هوانوردي و مديريت فضا (ناسا) قرار ساخت آپولو فضاپيما با پيل‌سوختي قليائي را بستند.
پيل‌هاي‌سوختي قليائي با چالش‌هايي روبرو هستند از جمله: نياز به هيدروژن خالص و کاتاليست گران قيمت پلاتين دارند و از طرف ديگر پيل‌هاي‌سوختي رقابت سختي با انواع ديگر پيل‌هاي‌سوختي در پيش‌رو دارند.
فعاليت تحقيقاتي دكتر فرانسيس بيكن نقش مهمي در گسترش و ارائه پيل‌هاي سوختي قليايي داشته است. بيكن (Bacon) كار تحقيقاتي خود را در اين زمينه از سال 1932 آغاز كرد و ساخت يك مولد 5 كيلوواتي از پيل‌سوختي قليايي را به همراه ارزيابي كارايي اين پيل در سال 1952 به پايان رساند.
در آلمان بيشترين تلاش‌ها در زمينه پيل‌سوختي قليايي توسط دو شركت زيمنس (siemens) و وارتا (Varta) انجام شد. در اين شركت‌ها علاوه بر پيل‌سوختي قليايي تلاش براي توليد پيل‌هاي‌سوختي ديگر با الكتروليت‌هاي متفاوت نيز انجام مي‌شد. هر دو شركت بر روي پيل‌سوختي با سوخت هيدرازين و متانول كار مي‌كردند كه پس از چند سال كار بر روي اين سوخت‌ها، تلاش‌ها در اين زمينه‌ها متوقف شد.
در اوائل دهه 1970 شركت زيمنس (siemens) پيل‌سوختي قليايي با سوخت (H2-O2) را به عنوان زمينه مناسب براي فعاليتهاي‌ بعدي انتخاب كرد. الكترود مورد استفاده در اين پيل از فلزات كمياب و گرانقيمت نبود. الكترودها عبارت بودند از «راني نيكل» (آلياژ نيکل و آلومينيم در آند و نقره در كاتد). كار بر روي اين نوع پيل‌سوختي در شركت زيمنس ادامه پيدا كرد تا اينكه در نيمه‌هاي دهه هفتاد، يك واحد 6 كيلووات پيل‌سوختي قليايي با طراحي مهندسي قابل توجه جهت كاهش حجم ارائه شد. وزن اين واحد 85 كيلوگرم و توان و ولتاژ توليدي آن 6 کيلووات در 48 ولت بود.
در ايالات متحده شرکت UTC مولد پيل‌سوختي 7 كيلووات را جهت کاربري در سفينه‌هاي فضايي و ماهواره‌ها توليد نمود. از دهه هفتاد تا کنون اين نوع پيل‌سوختي برق و آب مورد نياز براي سفينه هاي فضايي را تامين مي‌كند.

تاريخچه پيل‌سوختي اسيد فسفريك (PAFC)
استفاده از اسيد به عنوان الکتروليت از سال 1842 توسط گرو آغاز شد. او از اسيد سولفوريک استفاده کرد، اما اسيد فسفريک يک رساناي ضعيف الکتريسيته بوده و جذاب نبود. بنابراين PAFCنسبت به ساير انواع پيل‌سوختي آهسته‌تر توسعه يافتند. در سال 1961، المر و تانر در مقاله‌اي به نام » پيل‌هاي‌سوختي با دماي مياني» موفقيت‌هاي تازه‌اي را منتشر ساختند. آنها تشريح نمودند که در آزمايشاتشان از الکتروليتي استفاده کردند که 35 درصد اسيدفسفريک و 65 درصد پودر سيليکاي چسبيده شده به يک واشر تفلوني دارد. آنها اذعان نمودند که بر خلاف اسيدسولفوريک، اسيدفسفريک تحت شرايط عملياتي پايداري خود را به لحاظ الکتروشيمي از دست نمي‌دهد.
مهمترين فعاليت‌ها در زمينه توليد پيل‌سوختي اسيد فسفريک در اواخر دهه 1960 تحت نام پروژهTARGET توسط گروهي متشكل از متخصصين صنايع برق و گاز آغاز شد. هدف اصلي از اين برنامه گسترش نيروگاه‌هاي توليد توامان برق و حرارت جهت مصارف خانگي و كوچك بود. پيل‌سوختي اسيد فسفريك به دليل عدم حساسيت به CO2 در اين زمينه مورد استفاده قرار گرفت.
تعداد 65 مولد پيل‌سوختي اسيد فسفريک با سوخت گاز طبيعي توسط شركت‌هاي سازنده موتور هواپيما Patt و شركت Whitney و با همکاري شرکت گاز آمريکا در فاصله زماني 83-1969 در آمريكا، كانادا و ژاپن، نصب و راه اندازي گرديد. توان اين واحدها از 15 کيلووات در سال 1969 به 5 مگاوات در سال 1983 رسيد.
همچنين آزمايشگاه ملي لوس‌آلاموس مطالعات پيل‌سوختي را آغاز نمود و با هدف ساخت خودروي برقي يک خودروي گلف را با پيل‌سوختي اسيدفسفريک ارائه نمود.
افزايش ميزان تحقيقات به منظور پاسخ دادن به نيازهاي تجاري در زمينه توليد تجاري پيل‌هاي سوختي بوده و فعاليت هاي زيردر جهت پيشرفت پیل‌سوختي اسيد فسفريک به منظور دستيابي به بازارهاي تجاري انجام شد:
1. توليد، نصب و راه اندازي 48 واحد نيروگاه 40 کيلووات پيل‌سوختي اسيد فسفريک به منظور توليد همزمان برق و حرارت از سال 1976. اين پروژه با حمايت GRI و DOE انجام شد.
2. نصب نيروگاه‌هاي 1 مگاوات و 5/4 مگاوات جهت توليد انرژي الکتريکي توسط شرکت UTC. همچنين نصب 245 واحد PC25 با توان 200 کيلووات را از سال 1990 به فروش رسانيد.
3. فعاليتهاي تحقيقاتي توسط شرکت‌هاي Westinghouse و Engelhard در زمينه توسعه نيروگاه‌هاي پيل‌سوختي اسيد فسفريک (PAFC) با سيستم خنک کننده هوا يا روغن.
بحران انرژي در سال 1973 سبب افزايش فعاليت ها در زمينه احداث نيروگاه‌هاي پيل‌سوختي اسيد فسفريک شد. اين پيشرفت‌ها نه تنها در ايالات متحده بلكه در ژاپن هم مشاهده شد.
در ژاپن برنامه Moonlight با پشتيباني دولت ژاپن، به توسعه فن‌آوري‌هايي با مصرف بهينه انرژي پرداخت. اين برنامه‌ها شامل ساخت و نصب دو نيروگاه يک مگاوات از پيل‌سوختي اسيد فسفريک مي‌شد.

تاريخچه پيل‌سوختي کربنات مذاب (MCFC)
تاريخچه توسعه فن‌آوري پيل‌هاي سوختي اکسيد جامد وکربنات مذاب در يک مسير قرار داشتند تا اينکه در دهه 1950 مسير تحقيقات در رابطه با اين دو نوع پيل‌سوختي از يکديگر جدا شد. در دهه 1930 در کشور سوئيس Emil Baur و H. Preis آزمايشاتي را با الکتروليت اکسيد‌جامد در دماي بالا انجام دادند و با مشکلاتي از قبيل هدايت الکتريکي و واکنش‌هاي جانبي ناخواسته روبرو شدند. واکنش‌هاي جانبي از قبيل واکنش الکتروليت با گاز مونوکسيدکربن و گازهاي واکنش‌گر بودند.
در انتهاي دهه1950 دانشمندان آلماني Broers و Ketelaar بر پايه تجربيات قبلي و تجربه غير موفق الکتروليت اکسيد جامد، توجه خود را بر روي الکتروليت نمک‌هاي ‌کربنات مذاب متمرکز کردند.
کار با الکتروليت‌هاي کربنات مذاب راحتتر بوده و نيازي به فرآيندهاي پيچيده توليد پيل‌سوختي اکسيد جامد وجود نداشت. با توجه به دماي بالاي کارکرد اين نوع پيل‌سوختي و مزاياي متعدد آن بحث نيروگاهي اين نوع پيل‌سوختي مورد توجه قرار گرفته است.
در سال 1960 بروئرس (Broers)و کتيلار (Ketelaar) گزارش کردند که موفق به ساخت يک تک سل شده‌اند که در ساخت آن از الکتروليت کربنات مذاب با مخلوط کربنات‌هاي ليتيم، سديم و پتاسيم توزيع شده در بستر اکسيد منيزيم استفاده شده است اين تک سل به مدت 6 ماه کارکرد داشته است. با اين وجود Broers و Ketelaar متوجه شدند که يون کربنات با گذشت زمان با اجزاي سل وارد واکنش شده و مصرف مي‌شود.
تقريباً در همين زمان دکتر فرانسيس بيکن از الکتروليت کربنات مذاب بدون استفاده از بستر، جهت ساخت پيل‌سوختي کربنات مذاب استفاده کرد و در نهايت تحقيقات دو گروه فوق بر روي الکتروليت با ساختار خمير مانند متمرکز شد.
در نيمه‌هاي دهه 1960 مرکز تحقيقات و گسترش وسايل قابل حمل ارتش ايالات متحده (MERDC) پيل‌سوختي کربنات مذاب ساخته شده توسطTexas Instrument را مورد آزمايش قرار داد. محدودة توان اين پيل‌هاي ‌سوختي بين 100 تا 1000 وات بود. اين پيل‌هاي ‌سوختي مجهز به مبدل سوخت خارجي بوده و با سوخت بنزين کار مي‌کردند.

تاريخچه پيل‌سوختي اكسيد جامد (SOFC)
در سال 1899 اولين اكسيد جامد با خاصيت هدايت يوني توسط نرنست با فرمول (ZrO2)0.85 (Y2O3)0.15 ساخته شد. درسال 1937 بار و پريس اين مواد را براي ساخت اولين پيل‌سوختي اكسيد جامد مورد استفاده قرار دادند. آند در اين پيل‌سوختي از جنس كك و كاتد از جنس اكسيد آهن بود و دماي كاركرد اين پيل‌سوختي1050 درجه سانتيگراد و گازهاي واكنش دهنده در اين پيل‌سوختي هيدروژن و هوا بودند. دانسيته جريان 1 و ولتاژ توليدي سل mV 650 بود.
در تحقيقات بعدي ويسبارت و روكا پيل‌سوختي اكسيد جامدي را تهيه كردند كه در آن زيركونيا پايدار شده توسط كلسيم به عنوان الكتروليت استفاده شده بود. در اين نوع پيل‌سوختي هيدروژن و هيدروكربن‌ها به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گرفتند. مقاومت لايه ضخيم الكتروليت، ولتاژ خروجي را محدود مي‌کرد.
در سال 1940 شرکت روسي Davtyan از ترکيب شن مونازيت با کربنات سديم، تري اکسيد تنگستن به منظور افزايش هدايت‌پذيري و مقاومت مکانيکي استفاده نمودند.
اولين سري پيل‌سوختي اكسيد جامد (SOFC) توسط آرچر و همكارانش در سال 1965 توليد شد. توان اين پيل 100 وات و الكتروليت آن زير‌كونياي پايدار شده توسط كلسيم بود و الكترودها از جنس پلاتين سينتر شده بودند. الكترودهاي گران قيمت پلاتين كه در ابتدا در اين نوع پيل‌سوختي مورد استفاده قرار مي‌گرفت، با الكترودهايي از جنس سرميت (مخلوط سراميك و فلز) نيكل و زيركونيا جايگزين شدند. الكترودهايي از جنس اكسيدهاي فلزي هادي الكتريسته نيز مورد آزمايش و بررسي قرار گرفتند.
در اواخر سال 1950، تحقيقات در زمينه فن‌آوري اکسيد جامد در سازمان مرکز صنعتي در Hague، هلند و اتحاديه شرکت‌هاي ذغال سنگ در پنسيلوانيا و جنرال الکتريک روند پرشتابي را آغاز کرد.
شرکت وستينگهاوس در سال 1962 از اکسيد زيرکنيم و اکسيد کلسيم استفاده نمود. امروزه در حدود 40 شرکت در زمينه پيل‌سوختي اکسيدجامد به تحقيق و توسعه مشغول هستند.

تاريخچه پيل‌سوختي پليمري
فن‌آوري پيل‌سوختي پليمري در سال1960در شرکت جنرال الکتريک توسط T. Grubb و L. Niedrach ابداع شد. اولين موفقيت جنرال الکتريک در تولید پیل سوختی پلیمری در اواسط دهه1960 در پی همکاري اين شرکت با U.S. Navy’s Bureau of Ship وU.S. Army Signal Corp. به منظور ساخت مولدهاي کوچک برق بود. اين مولدها با سوخت هيدروژن توليدي ا
ز ترکيب آب و هيدريد ليتيم تغذیه می شود. پيل‌سوختي تهيه شده کوچک و قابل حمل بود و در آن از کاتاليست گران قيمت پلاتين استفاده شده بود.
تکنولوژي پيل‌سوختي پليمري در پروژه جمینی ناسا نيز مورد استفاده قرار گرفت. در برنامه‌هاي فضايي Mercury از باطري‌ به عنوان منابع تامين انرژي استفاده شد ولي براي پروژه آپولو نياز به وسيله‌اي با طول عمر بيشتر بود. لذا براي اين منظور پيل‌هاي سوختي پليمري ساخت شرکت جنرال الکتريک مورد تست و آزمايش قرار گرفت. ولي مدل های اولیه پيل‌سوختي پليمري(PB2) با برخي مشکلات از قبيل نشت اکسيژن از میان غشاء و اثر آلوده کننده ها بر روي عملکرد سل و طول عمر پائين غشاء مواجه ‌شد. از اينرو جنرال الکتريک پيل‌سوختي خود را مورد باز بيني قرار داد و مدل P3 را توليد کرد و با وجود کارکرد ضعیف آن در Gemini5 مورد استفاده قرار گرفت. ناسا در پروازهای فضایی بعدی خود از پیل سوختی قلیایی استفاده نمود.
شرکت جنرال الکتریک فعالیت خود را در دهه 1970 با توسعه فنآوری الکترولیز جهت تجهیزات زیر دریایی با حمایت واحد تولید اکسیژن نیروی دریایی امریکا آغاز نمود. ناوگان انگلیسی Royal در اوایل دهه 1980 این فن آوری را برای ناوگان زیر دریایی خود پذیرفت.
در اوایل دهه1990 سایر گروه ها نیز تحقیقات در این زمینه را آغاز نمودند. آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و دانشگاه AM روش هايی را جهت کاهش میزان کاتالیست مورد نیاز آزمایش نمودند.

تاريخچه پيل‌سوختي متانولي
پيل‌سوختي متانولي جديدترين فن‌آوري پيل‌سوختي در دهه اخير است. در سال 1995 پيشرفتهاي قابل توجهي در زمينه فن‌آوري پيل‌سوختي متانولي در مقیاس بزرگ در آمريکا آغاز شد.
مطالعات اولیه در JPL (1997)، و در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس(2000) و در دانشگاه ایالتی Penn (2001) انجام شد. درحال حاضر در اغلب مراکز تحقيقاتي و بيشتر شرکت‌هاي پيل‌سوختي از جمله موتورلا، هیتاچی و توشیبا تحقيق و توسعه برروي پيل‌سوختي متانولي در حال اجرا مي‌باشد.

پيل سوختي ميكروبي

در پايان قرن اخير، ايده استفاده از پيل‌هاي ميكروبي در تلاش براي توليد الكتريسيته ارائه شد. به گونه‌اي كه M.C. Potter پروفسور گياه‌شناسي در دانشگاه Durham، اولين كسي بود كه در سال 1911 كار بر روي آن را آغاز نمود. Potter قصد توليد الكتريسيته از E. coli را داشت. در سال 1931، Branet Cohen با ايجاد تعدادي پيل‌سوختي ميكروبي نيمه كه به صورت سري به يكديگر متصل شده بودند و ظرفيت توليد بيش از 35 ولت تنها با 2 ميلي‌آمپر جريان را داشتند. كار وي را ادامه داد. فعاليت بيشتر در اين زمينه توسط DelDuca و همكاران صورت گرفت. آن‌ها از هيدروژن توليد شده توسط تخمير گلوكز با Clostridium butyricum كه به عنوان ماده واكنش دهنده در آند پيل‌سوختي هوايي و هيدروژن قرار داشت، استفاده نمود. متأسفانه با وجود آن‌كه پيل كار نمود، به دليل طبيعت ناپايدار توليد هيدروژن از طريق ميكروارگانيسم‌ها غيرقابل اطمينان بود. اگرچه اين مسئله در ادامه توسط سوزوكي و همكاران در سال 1976 حل شد).
حتي با گذشت زمان از كار سوزوكي جزئيات كمي از چگونگي عملكرد پيل‌سوختي ميكروبي بدست آمد تا اين‌كه بررسي بيشتر توسط MJ Allen و در ادامه توسط H. Peter Benetto هر دو از King College لندن، صورت گرفت. Bennetto پيل‌سوختي را به عنوان يك روش براي توليد الكتريسينه براي كشورهاي جهان سوم مدنظر قرار داد. او كار خود را در اوايل دهه 1980 شروع و به فهم چگونگي عملكرد پيل‌هاي‌سوختي كمك شايان توجهي نمود.
هم‌اكنون يافته‌ها حاكي از آن است كه الكتريسيته مي‌تواند مستقيماً از تجزيه مواد آلي در يك پيل‌سوختي ميكروبي توليد شود، اگرچه مكانيسم دقيق فرآيند هنوز بايد به درستي مشخص گردد. همانند يك پيل‌سوختي معمولي، يك MFC نيز داراي محفظه كاتدي و آندي دقيق فرآيند مي‌باشد، به‌گونه‌اي كه محفظه آندي غير هوازي از درون به محفظه كاتدي توسط يك غشاء تبادل يوني متصل شده است و مدار به كمك يك سيم خارجي كامل مي‌شود.
ددر ماه مي سال 2007، دانشگاه Queen Sland در استراليا، نمونه آزمايشي MFC خود را به صورت يك پروژه مشترك با شركت Fosters Brewing، تكميل نمود. اين نمونه آزمايشي، با حجم 10 ليتر، فاضلاب كارخانه تخمير را به دي‌اكسيدكربن، آب تميز و الكتريسيته تبديل مي‌نمود. با انجام موفقيت‌آميز اين نمونه آزمايشي، طرح‌هايي براي توليد پياپي 660 گالني ريخته شد تا ميزان تقريبي 2 كيلووات انرژي را تأمين نمايد. اگرچه مقدار انرژي توليدي قابل چشم‌پوشي است، توليد آب تميز براي استراليا از درجه اهميت بالاتري برخوردار بود.

منبع: کمیته راهبردی پیل سوختی

Advertisements

Article source: https://renb.wordpress.com/2010/02/09/%D8%AA%D8%A7%D8%B1%D9%8A%D8%AE%DA%86%D9%87-%D8%A7%D9%86%D9%88%D8%A7%D8%B9-%D9%BE%DB%8C%D9%84-%D8%B3%D9%88%D8%AE%D8%AA%DB%8C/

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*

code