پيل های سوختی برای تولید برق

چكيده
امروزه برای توليد انرژی الکتريکی که در خانه ها و وسايل نقليه استفاده می شود ناگزير به استفاده از تکنولوژی های جديد برای صرفه جويی بيشتر در انرژی هستيم.يکی از روشهای توليد انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell يا پيل سوختی است که از جهات بازده بيشتر برای توليد انرژی:آلودگی کمتر محيط زيست وعمر طولانی که دارند:بسيار مطلوبتر ازسايروسايل تبديل انرژی مثل توربين گازی:موتور بنزينی وباتری هستند. پيل سوختی را ميتوان وسيله ای دوستدار محيط زيست ناميد :چرا که باتوجه به واکنشی

که در آن روی ميدهد: تنها چيزی که از خود به جای می گذارد آب است( وقتی که سوخت آن هيدروژن باشد).اگر چه هيدروژن خالص يک سوخت عالی برای پيل سوختی است : اما تهيه :ذخيره سازی وتوزيع چنين سوختی به عنوان يک مسئله مطرح می شود. به عنوان يک راه حل عملی : پيشنهادميشود:هيدروژنی که در پيل سوختی به کار مي رود از واکنش رفرمينگ سوختهای در دسترس مثل متانول :گاز طبيعی :بنزين وگازوئيل تهيه شود.رفرمينگ بخار (SR) : اکسيداسيون جزئی (POX) ورفرمينگ Auto thermal (ATR) سه فرايند اصلی رفرمينگ برای توليد هيدروژن هستند.

يکی از مسايل مهمی که در پيل سوختی وجود دارد :خلوص هيدروژن است . حتی مقدارکمیCO در داخل هيدروژن (مثلا”بيشتر از ۱۰ppm ) شديدا” باعث تخريب کاتاليست موجود در پيل سوختی می شود. يکی از روشهايی که می توان به وسيلهء آن COای که در گاز سنتزی ريفرمر توليد می شود را از بين برد :واکنش WGS است که با تبديل CO به CO2 و H2 به خلوص بيشتر هيدروژن کمک می کند . واکنش WGS به صورت زير انجام می شود:
CO2 + H2O CO + H2

از طرفی واکنش WGS بازگشت پذير و گرماده است که هر دوی اين موارد نامطلوب است . چون در دمای بالا واکنش به سمت توليد CO بر می گردد.به همين دليل راکتورهای پر شدهء قديمی که برای اين واکنش در نظر گرفته می شوند: بسيار بزرگ وسنگين بودند. گونهء جديدی از راکتورها که برای اين منظور به کار می روند : راکتورهای با غشاي سراميکی هستند که می توانند ميزان انجام واکنش را تا حد زيادی افزايش دهند ومحصول CO2 و H2 را به صورت جداگانه تحويل مي دهند.

با توجه به واکنش WGS: برای پيشرفت واکنش به سمت توليد CO2 و H2می توان COرا به صورتی پيوسته از محيط واکنش خارج کرد:به عبارت ديگر می توان CO2 را بوسيلهء نوعی جاذب که در محيط واکنش قرار می گيرد: جذب کرد ودر نتيجه واکنش به سمت توليد بيشتر CO2وH2 پيش می رود و در واقع درجه ء تبديل CO بهCO2 افزايش می يابد.بدين منظور طرحهايی بررسی شده است که در زير به آنها اشاره مي کنيم :طرح ۱ جذب افزايشی WGS در راکتور پر شده وطرح ۲ : شامل جذب افزايشیWGS در راکتور غشايی.در طرح ۱جاذب CO2(

hydrotalcite)را با کاتاليست واکنش WGS( Cu/Zno ) در يک بستر پرشده مخلوط کرده و اجازه داده ايم تا عمليات انجام شود.در طرح ۲ راکتور غشايی که غشا آن از نوع سل ژل است و نسبت به CO2و H2 انتخابگری دارد استفاده شد.جاذبی که برای جداسازی CO2 به کار ميرود :در قسمت تراوای غشا قرار می گيرد.بنابراين هر دو محصول واکنش می توانند به وسيلهء غشا جدا شوند .در ضمن جذب CO2در قسمت تراوا می تواند درصد خلوص H2 را نيزافزايش دهد.

 

Hydrotalcite يک ماده جاذب خوب با بازگشت پذيری زياد CO2 است که طبق آزمايشات انجام شده حتی بخار آب روی بازگشت پذيری آن تاثيری ندارد.فرمول شيميايی آن به وسيلهء XRDکه روی آن انجام شد.
Mg0.645Al0.355(OH)2(CO3)0.178 0.105 (H2O) بدست آمد.
بنابراين وجود غشا در راكتور غشائي از مخلوط شدن واكنشگرها با محصولات واكنش جلوگيري مي‌كند و همچنين وجود جاذب Hydrotalcite باعث افزايش جذب دي اكسيد كربن و در نتيجه افزايش درصد خلوص هيدروژن مي‌شود.

مقدمه
امروزه براي توليد انرژي الكتريكي كه در خانه‌ها و وسايل نقليه استفاده مي‌شود، ناگزير به استفاده از تكنولوژيهاي جديد براي صرفه‌جويي بيشتر در انرژي هستيم. يكي از روشهاي توليد انرژي كه امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell يا پيل سوختي است. پيل سوختي يك وسيله تبديل انرژي شيميايي به انرژي الكتريكي است.
يك پيل سوختي هيدروژن و اكسيژن را تبديل به آب كرده و در طي اين پروسه الكتريسيته توليد مي‌كند. يكي از وسيله‌هايي كه تا حد زيادي شبيه به پيل سوختي عمل مي‌كند، باتري است. اما يك باتري با مصرف مواد شيميايي ذخيره شده دروني‌اش و تبديل آنها به انرژي الكتريكي سرانجام از بين رفته و تمام مي‌شود و بايد دور انداخته شود و يا دوباره شارژ شود.در يك پيل سوختي مواد شيميايي دائماً درون سل‌هاي آن جريان دارد, بنابراين مادامي كه جريان مواد شيميايي درون سلها ادامه دارد , Fuel cell از كار نمي‌افتد و جريان الكتريسته ايجاد مي‌كند.

پيلهاي سوختي از جهات بازده بيشتر براي توليد انرژي ، آلودگي كمتر محيط زيست و عمر طولاني‌اي كه دارند بسيار مطلوب‌تر از ساير وسايل تبديل انرژي مثل توربين گازي، موتور‌بنزيني و باتري هستند. پيل سوختي را مي‌توان وسيله‌اي دوست‌دار محيط زيست ناميد چرا كه با توجه به واكنشي كه در آن روي مي‌دهد تنها چيزي كه از خود به جاي مي‌گذارد آّب است (وقتي كه سوخت آن هيدروژن است).

فرآيند شيميايي كه در پيل سوختي روي مي‌دهد به صورت زير است:
: آند
: كاتد
: واكنش كلي
اين واكنش‌ روي كاتاليست انجام مي‌شود تا واكنش هيدروژن و اكسيژن تسهيل گردد. اين كاتاليست معمولا از پودر پلاتين كه به صورت خيلي نازك روي ورقه‌اي از كربن پوشيده شده ساخته مي‌شود سطح كاتاليست بايد زبر و متخلخل باشد تا حداكثر سطح تماس را براي ما ايجاد كند.
اكسيژني كه در يك پيل سوختي بكار مي‌رود به راحتي از هوا تأمين مي‌شود اما اگر چه هيدروژن خالص يك سوخت عالي براي پيل سوختي است اما تهيه ذخيره سازي و توزيع چنين سوختي به عنوان يك مسئله مطرح مي‌شود .
به عنوان يك راه‌ حل عملي، پيشنهاد مي‌شود ، هيدروژني كه در پيل سوختي به كار مي‌رود از واكنش رفرمينگ سوختهاي در دسترس مثل متانول، گاز طبيعي، بنزين و گازوئيل تهيه شود.

رفرمنيگ بخار (SR) ، اكسيداسيون جزئي (POX) و رفرمينگAuto Thermal(ATR) به فرايند اصلي رفرمينگ براي توليد هيدروژن هستند. در SR بخار با هيدروكربن روي كاتاليست واكنش داده و را توليد مي‌كند. اين واكنش بسيار گرماگير است و در دماي همراه با تولید مقدار زيادي گرما انجام می شود. رفرمينگ ATR هر دو واكنش بالا را با هم انجام مي‌دهد و خوراك آن مخلوطي از هيدروكربن، آب و هواست كه همزمان با هم وارد راكتور مي‌شوند. واكنش SR گرمايي كه در واكنش POX توليد مي‌شود را مصرف مي‌كند به طوريكه واكنش كلي كمي گرما زا است.
جدول ۱- تركيب درصد syn gas مربوط به SR , ATR

ATR

SR
يكي ديگر از مسائلي كه در پيل سوختي وجود دارد، خلوص هيدروژن است. حتي مقدار كمي از CO در داخل هيدروژن مثلا بيشتر از ppm 10 شديداً باعث تخريب كاتاليست موجود در پيل سوختي مي‌شود و اين خود باعث پايين آمدن بازده پيل سوختي مي‌شود. يكي از روشهايي كه مي‌توان به وسيله آن CO اي كه در گاز سنتزي ريفرمر توليد مي‌شود را از بين برد، واكنش WGS است كه با تبديل CO به به خلوص بيشتر هيدروژن كمك مي‌كند. واكنش WGS به صورت زير انجام مي‌شود.

از طرفي واكنش WGS بازگشت پذير و گرماده است كه هر دوي اين موارد براي ما نامطلوب است , چون در دماي بالا واكنش به سمت توليد CO بر مي‌گردد. راكتورهاي پرشده قديمي كه براي اين واكنش در نظر گرفته مي‌شدند, بسيار بزرگ و سنگين بودند و همچنين بازده مطلوبي نداشتند. گونه جديدي از راكتورها كه براي اين منظور به كار مي‌روند، راكتورهاي با غشاي سراميكي هستند كه مي‌توانند ميزان انجام واكنش را تاحد زيادي افزايش دهند و محصول را به صورت جداگانه به ما تحويل دهند. تحقيقات نشان داده شده است كه با استفاده از اين نوع راكتورها تبديل CO تا % ۱۰۰ افزايش مي‌يابد.

فصل اول

غشاء
كاربردهاي بسيار زياد غشاء، جايگاه مهمي در تكنولوژي شيميايي پيدا كرده است، قدرت غشاء دركنترل ميزان نفوذ گونه‌هاي شيميايي از بين غشاء، خاصيت كليدي آن به شمار مي‌رود. در فرآيند‌هاي جداسازي، هدف، اجازه دادن به جزئي از يك مخلوط براي نفوذ آزادانه داخل غشاء است واين در حالي است كه غشاء از عبور اجزاء ديگر جلوگيري مي‌كند.
تاريخچه غشاء
تحقيقاتي كه به صورت جدي روي غشاء انجام شد، توسط دانشمندان قرن ۱۸ صورت گرفت به عنوان مثال Abbe Nolet در سال ۱۷۴۸ واژه اسمز را براي نفوذ آب از بين يك ديافراگم به كاربرد. غشاها در بين قرنهاي نوزدهم و بيستم كاربرد صنعتي يا تجاري نداشتند و تنها به عنوان تجهيزات آزمايشگاهي و براي انجام تئوري‌هاي فيزيكي/ شيميايي مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. به عنوان مثال براي اندازه‌گيري فشار اسمزي محلول، در سال ۱۸۸۷ غشايي توسط Trauble & Pfeffer ساختند كه با قانون وانت‌هوف (van’t Hoff ) كار مي‌كرد و رفتار محلولهاي خالص ايده‌آل را توضيح مي‌داد. به عبارت ديگر اين عمليات مستقيما به قانون وانت‌هوف منجر شد.
در همان زمان، نظريه غشاي نیمه تراواي انتخابگر به وسيله ماكسول و ديگران (Maxwell & others) به منظور توسعه تئوري جنبشي گازها ارائه شد. محققين غشاهاي نخستين، انواع ديافراگمهايي كه در اختيار داشتند مثل مثانه خوك، گاو يا ماهي، و روكش سوسيهايي كه از دل و روده حيوانات ساخته مي‌شد را مورد آزمايش قرار دادند. بعدها غشاهاي ساخته شده از كلودين (نيتروسلولز) (collodion) به دليل اينكه به صورت تكثيري ساخته مي‌شدند مورد توجه قرار گرفتند. بچهولد (Bechhold) در سال ۱۹۰۷ شيوه‌اي براي تهيه غشاهاي

نيتروسلولزي با اندازه‌هاي درجه بندي شده‌اي براي منافذ ابداع كرد كه باتست حباب انجام مي‌شد . و ديگران به خصوص الفورد (Elford) ، بچمن و زيگموندي (Bachmann & zsigmondy) و فري (Ferry) روش بچهولد را ادامه دادند. در طي ۲۰ سال اخير تكنولوژي توليد غشاهاي micro filtration توسط پليمرها مخصوصا استات سلولز گسترش پيدا كرده است. اولين كاربرد ويژه غشاها در آزمايش آب شرب در انتهاي جنگ جهاني دوم بود. آب شرب براي استفاده در آلمان و قسمتهايي از اروپا كه شكست خورده بودند تأمين مي‌شد. و در آن زمان شديدا به فيلترهايي براي آزمايش روي آب شرب نياز بود.

محققين براي توسعه اين فيلترها كه به وسيله ارتش ايالات متحده مورد حمايت قرار مي‌گرفت، تلاشهاي زيادي را انجام دادند. ايالات متحده به اولين وبزرگترين توليد كننده غشاهاي micro filtration در جهان فعاليت مي‌كند. در ۱۹۶۰ اصول علم غشا توسعه پيدا كرده بود. اما غشاها تنها براي تعداد كمي از آزمايشگاهها و كاربردهاي ويژه صنعتي كوچك مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. در آن زمان صنعت غشاهاي ويژه وجود نداشت و فروش خالص‌نهايي غشاها براي همه كاربردهاي صنعتي بيشتر از ۲۰ ميليون دلار امريكا در سال ۲۰۰۳ نبود. در كاربرد غشاها در فرايندهاي جداسازي چهار مشكل وجود دارد:
۱- غير قابل اطمينان بودن آنها
۲- سرعت كم
۳- گزينش پذيري كم
۴- قيمت بالا

حل هر كدام از اين مشكلات در طي ۳۰ سال انجام شد. كشف اساسي كه جداسازي غشايي را از يك كار آزمايشگاهي به يك فرايند صنعتي تبديل كرد، فرايند لوب- سوريراژان
[Leob – Sourirajan] براي ساخت غشاهاي اسمز معكوس anisotropic بدون نقص با شار بالا (high-flux) در سال ۱۹۶۰ بود. [۵]

اين غشاها شامل يك فيلم سطحي انتخابگر بسيار نازك برروي يك سطح ضخيم تر هستند و با داشتن منافذي در مقياس micro ( ) بسيار نفوذ پذير مي‌باشند و مي‌توانند نيروي مكانيكي را تامين ‌كنند. شاراوليه غشاي اسمز معكوس كه توسط لوب – سوريراژان ساخته شده بود ۱۰ برابر بيشتر از غشايي بود كه قبلا براي فرايند اسمز معكوس ساخته شده بود. كار لوب- سوريراژان و تحقيقات بسياري از محققين و تقبل هزينه‌ها توسط وزارت داخلي امريكا و سازمان آبهاي شور ((OSW) Office of Salive Water) به تجاري كردن فرايند اسمز معكوس انجاميد و عامل مهمي در گسترش Ultra filtrtion وMicro filtration به شمار مي‌رفت.

همچنين الكترودياليز- به وسيله كمكهايي كه از يافته‌هاي OSW گرفته شد- گسترش پيدا كرد. به طور همزمان با گسترش كاربردهاي صنعتي غشاء، غشاها به طور مستقل براي فرايند‌هاي جداسازي در پزشكي به ويژه در ساخت كليه مصنوعي گسترش پيدا كردند.

دبليو. جي. كالف[W.J.Kolf] اولين موفقيت كليه مصنوعي را در سال ۱۹۴۵ در نترلند Netherland)) نشان داد و تقريباً ۲۰ سال براي تكنولوژي فيلتراسيون در مقياس بزرگ زمان صرف شد، اما اين تحقيقات در سال ۱۹۶۰ كامل شد. از آن به بعد، استفاده غشاء در عضوهاي مصنوعي اقدام مهمي در نجات جان انسانها به شمار مي‌رفت. بيش از ۰۰۰/۸۰۰ نفر كه هم اكنون كليه مصنوعي دارند بر اين مهم صحه مي‌گذارند و هر سال بيش از ميليونها نفر تحت عمل جراحي قلب باز- با روشي كه امكان اكسيژن دادن به خون به وسيله غشاء را فراهم مي‌كند.- قرار مي‌گيرند.

در دوره سالهاي ۱۹۶۰ تا ۱۹۸۰ تغييرات چشمگيري در وضعيت تكنولوژي غشاء به وجود آمد. فرايندهاي شكل‌گيري انواع ديگر غشا بر مبناي اصول روش لوب- سوريراژان شامل پليمريزاسيون interfacial و ريخته‌گري كامپوزيتهاي چند لايه و پوشش دهي آنها، به منظور ساخت غشاهاي با عملكرد بهتر، توسعه پيدا كرد. استفاده از اين فرايندها، ساخت غشاهايي با لايه‌هاي انتخابگر selective layers)) به ضخامت ياكمتر – كه هم اكنون توسط تعدادي از كمپاني‌ها توليد مي‌شوند- را به دنبال داشت. در سال ۱۹۸۰، ميكروفيلتراسيون (microfiltration) ، آلترافيلتراسيون (ultrafiltration) ، اسمز معكوس (reverse osmosis) و الكترودياليز electro dialysis)) ، فرآيندهايي بودند كه در بسياري از واحدها در سراسر

جهان انجام مي‌شدند. تحول مهمي كه در سال ۱۹۸۰ روي داد، ظهور غشاهاي صنعتي درفرايندهاي جداسازي گازها بود. اولين تحول بزرگي كه در اين زمينه انجام شد، غشايي بود كه توسط مونسانتو پريسم Monsanto Prism]] در سال ۱۹۸۰ براي جداسازي هيدروژن ارائه شد. [۷] در ظرف چند سال دو (Dow) سيستمهايي براي جداسازي نيتروژن از هوا توليد كرد

و سينارا وسپاركس Cynara & Separex)) سيستمهايي براي جداسازي دي‌اكسيد كربن از گاز طبيعي توليد كردند. تكنولوژي جداسازي گازها به سرعت رشد و گسترش پيدا كرد، علاوه بر اينكه رشد قابل توجهي در سالهاي اخير به چشم مي‌خورد. آخرين پيشرفتها در سال ۱۹۸۰ به وسيله GFT كه يك كمپاني كوچك مهندسي آلماني بود انجام شد. در اين كمپاني اولين سيستم Pervaporation تجاري براي هيدروژن زدايي الكلها به كار گرفته شد. بيش از ۱۰۰ واحد هيدروژن زدايي Pervaporation براي ايزوپروپانول و اتانول هم اكنون در حال نصب هستند.

انواع غشاء:
در واقع غشاء چيزي جز يك فصل مشترك نازك منفصل نيست كه نفوذ گونه‌هاي شيميايي را كه با آن ارتباط دارد، تعديل و كنترل مي‌كند. اين فصل مشترك ممكن است از نظر مولكولي همگن باشد، به عبارت ديگر ساختار و تركيبي كاملا يكنواخت داشته باشد و يا اينكه از نظر فيزيكي يا شيميايي ناهمگن باشد به عنوان مثال داشتن سوراخها و منافذ با اندازه‌هاي محدود و معين و يا داشتن ساختار متفاوت در لايه‌ها. يك صافي نرمال با اين توضيحات غشا ناميده مي‌شود. براساس قرارداد، فيلترها معمولا براي جداسازي سوسپانسيونهاي خاصي كه ذرات آنها بزرگتر از ۱ تا ۱۰ ميكرومتر هستند، استفاده مي‌شوند مهمترين انواع غشاها به صورت شماتيكي در شكل زير نشان داده شده‌اند و به صورت خلاصه توضيح داده شده‌اند: