نقش غشاها در پیل های سوختی
استاد:
ارائه دهنده:
University
چالش بزرگ این روزهای بشر به ویژه در کلان شهرها، افزایش سطح روزافزون آلاینده های زیست محیطی است. معضلی که سلامت انسان ها را با خطری جدی مواجه کرده و بشریت را نسبت به آینده خود بیمناک ساخته است.
سوزاندن بی رویه ی سوخت های فسیلی یکی از عوامل اصلی بروز این مشکل است.
1
2
افزایش دمای کره زمین به جهت این مصرف نامتعارف سوخت های فسیلی و در کنار اقسام آلودگی هایی که هر روز آسمان را تیره کرده اند، دانشمندان را به فکر راه حلی برای جلوگیری از این سیر مخرب انداخته است.
استفاده از منابع تامین انرژی پاک می تواند تا حد زیادی با این مشکل مقابله کند.
3
پیل سوختی (Fuel Cell):
نمونه ای از کاربرد پیل های سوختی قابل حمل جهت مصارف خانگی
4
نمونه هایی از کاربرد پیل سوختی در صنایع حمل و نقلی
5
نمونه ای کاربردهای نیروگاهی پیل های سوختی
6
حذف آلودگی ناشی از سوزاندان سوخت های فسیلی
تنها محصول جانبی: آب
قابلیت تولید همزمان برق و حرارت و حتی آب آشامیدنی در برخی موارد
راندمان بالاتر نسبت به سوخت های فسیلی متداول
کاهش آلودگی صوتی
عمر طولانی تر نسبت به باتری های متداول
امکان سوخت گیری مجدد
نگهداری آسان به علت عدم وجود اجزای متحرک
امکان استفاده از سوخت های تجدیدپذیر و سوخت های فسیلی پاک
امکان تولید برق مستقیم با کیفیت بالا
دانسیته نیروی بالا
مزایای پیل سوختی
7
پیل سوختی چیست
پیل سوختی وسیله ای الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.
هر پیل سوختی از دو الکترود آند و کاتد به همراه یک الکترولیت تشکیل شده است.
سوخت پیل ها، هیدروژن و از منابع متنوعی قابل تامین است. همچنین اکسیژن نیز به عنوان اکسیدکننده باید در دسترس پیل باشد که می توان از اکسیژن موجود در هوا بدین منظور استفاده کرد.
نمای کلی یک پیل سوختی به همراه گازهای واکنش دهنده و تولید شده و مسیر حرکت یون ها
8
نحوه ی عملکرد پیل سوختی
1) واکنش کاهش در آند:
2 H2(g) => 4 H+ + 4 e-
2) حرکت الکترون در مسیر مدار الکتریکی (ایجاد جریان) و پروتون در امتداد الکترولیت.
3) انجام واکنش اکسایش در کاتد و تولید آب:
O2(g) + 4 H+ + 4 e- => 2 H2O(l)
9
انواع پیل سوختی
پیل سوختی فلزی
پیل سوختی آلی
اسید فسفریک (PAFC)
قلیایی (AFC)
کربنات مذاب (MCFC)
اکسید جامد (SOFC)
متانولی (DMFC)
پلیمری (PFC)
روی- هوا (ZAFC)
آلومینیوم – هوا (AAFC)
منیزیم – هوا (MAFC)
آهن – هوا (IAFC)
لیتیم – هوا (LAFC)
کلسیم- هوا (CAFC)
نمونه های دیگری از صنایع مرتبط با فناوری پیل سوختی
پیل سوختی پلیمری
دارای الکترولیت پلیمری(غشای پلیمری) به شکل یک ورقه نازک منعطف است که هادی یون هیدروژن (پروتون) می باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می گیرد.
سوخت مصرفی در پیل سوختی پلیمری نیازمند هیدروژن خالص است لذا در خارج پیل سوختی جهت تبدیل سوخت های متانول و یا بنزین به هیدروژن نیاز به مبدل است.
میزان دانسیته توانی این نوع پیل سوختی بیشتر از انواع دیگر پیل سوختی است.
طول عمر پیش بینی شده برای پیل سوختی پلیمری بیش از 40000 ساعت است.
شمای کلی یک پیل سوختی پلیمری متداول
10
پیل سوختی پلیمری
بازده الکتریکی در حدود %50-40 درصد
نفیون یکی از بهترین الکترولیت های مورد استفاده در این نوع پیل سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمای پایین C ˚ 80 کار می کند.
واحدهای 50 کیلوواتی اکنون در حال فعالیت و تولید نیرو هستند و واحدهایی تا توان 250 کیلووات نیز در دست توسعه هستند.
بهترین گزینه در کاربردهای وسایل نقلیه بعنوان جایگزین برای موتور احتراق داخلی دیزلی و بنزینی و همچنین دارای کاربری مناسبی در زمینه مولدهای خانگی، نیروگاهی کوچک،صنعت حمل و نقل و نظامی
نمونه ای از یک استک پیل های سوختی پلیمری
11
12
پیل سوختی پلیمری
انواع پیل سوختی پلیمری
پیل سوختی غشای تبادل پروتون
پیل سوختی غشای تبادل آنیون
نمونه ای از پیل های سوختی پلیمری کوچک جهت مصارف الکترونیکی و خانگی
13
نقش غشاها در پیل های سوختی
غشاها اجزایی اساسی و بسیار مورد چالش در ساختار پیل های سوختی هستند.
جهت دستیابی به بازدهی مناسب در پیل سوختی باید غشا نیاز به دو فاکتور را تامین کند که عبارتند از:
توانایی انتقال مناسب یون مورد نظر
عدم عبور دهی اکسیژن و دیگر مواد از کاتد به آند و همچنین مواد معدنی از آند به کاتد
نمونه ای از نانو ساختار یک غشای تبادل پروتون
14
غشاهای تبادل پروتون به عنوان یکی از متداول ترین جداساز ها در پیل های سوختی مورد استفاده هستند
این غشاها به فرم ورقه های نازک و عبورپذیر در پیل ها به کار می روند(همچون غشاهای نفیونی)
بررسی فاکتورهای اساسی در این نوع غشا:
پیل سوختی غشای تبادل پروتون (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
قابلیت هدایت(Conductivity) معتدل کاتیون ها
مقاومت پایین در مقایسه با دیگر جداسازها
نمونه ای از غشاهای تبادل پروتون
مشکل اساسی:
توانایی کم در انتقال پروتون
15
نکاتی در خصوص پیل سوختی غشای تبادل پروتون:(PEMFC)
غشاهای تبادل پروتون گران هستند.
بروز خطاهای شیمیایی(یا بیولوژیکی)موجب افزایش مقاومت داخلی و کاهش بازدهی پیل سوختی می گردد.
افزایش نسبت انتقال کاتیون نسبت به پروتون می تواند موجب جلوگیری از واکنش های الکتروشیمیایی ودر کاتد و کاهش بازدهی شود.
نیاز به کاتالیست بر پایه ی پلاتین در این نوع پیل و در نتیجه افزایش هزینه ی تمام شده و حساسیت بسیار بالا نسبت به ناخالصی های سوخت(از جملهCO2)
پیل سوختی غشای تبادل آنیون(Anion Exchange Membrane Fuell Cell):
نسل جدیدی از غشاها
این غشاها یون منفی(آنیون) را در جهت کاتد به آند عبور می دهند.
به دلیل عدم نیاز به کاتالیست پلاتین ارزان تر هستند
از میزان حساسیت پیل به ناخالصی هایی نظیر CO2 کاسته شده است
16
مراجع
[1] Padma Sengodon and Dirk. B. Hays, Microbial Fuel Cell, Department of Soil and Crop Sciences, Texas A&M University,College Station, Texas, 2012.
[2] M. Rahimnejad, G. Bakeri, G. Najafpour, M. Ghasemi, S.-E. Oh, A review on the effect of proton exchange membranes in microbial fuel cells, Biofuel Research Journal, 1 (2014) 7-15.
[3] M. Rahimnejad, G. Bakeri, M. Ghasemi, A. Zirepour, A review on the role of proton exchange membrane on the performance of microbial fuel cell, Polymers for Advanced Technologies, 25 (2014) 1426-1432.
[4] B.E. Logan, B. Hamelers, R. Rozendal, U. Schröder, J. Keller, S. Freguia, P. Aelterman, W. Verstraete, K. Rabaey, Microbial fuel cells: methodology and technology, Environmental science & technology, 40 (2006) 5181-5192.
17
18
[5] S. Peighambardoust, S. Rowshanzamir, M. Amjadi, Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications, International Journal of Hydrogen Energy, 35 (2010) 9349-9384.
[6] N. Mokhtarian, M. Ghasemi, W.R.W. Daud, M. Ismail, G. Najafpour, J. Alam, Improvement of microbial fuel cell performance by using nafion polyaniline composite membranes as a separator, Journal of Fuel Cell Science and Technology, 10 (2013) 041008.
مراجع
19