پیل سوختی، فناورى سازگار با محیط زیست

پیل سوختی، فناورى سازگار با محیط زیست

پیل سوختی

پیل سوختی اساساً وسیله ایست که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و...) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل می‌کند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باطری بوده ولی بر خلاف باطری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد. پیل های سوختی میتوانند سوخت‌های حاوی هیدروژن مانند متانول( Methanol ) ، اتانول ( Ethanol) ، گاز طبیعی ( Natural Gas ) و حتی بنزین و گازوئیل را مورد استفاده قرار دهند. بطورکلی در سوخت‌های هیدروکربوری، هیدروژن توسط یک دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بکار گرفته می‌شود. پیل های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش بسزائی داشته و بخاطر عدم بکارگیری قطعات مکانیکی زیاد، ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی‌نماید. علاوه بر آن سیستم پیل سوختی از کارائی نسبتاً بالائی نسبت به موتورهای احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژی در سالهای 1973 و 1991 و آلودگی فزاینده محیط زیست، کشورهای صنعتی را بر آن داشت تا جهت استفاده از سیستم‌هایی با راندمان بالا و سازگار با محیط زیست سرمایه گذاری کلانی نمایند. سیستم‌های پیل سوختی از جمله تکنولوژیهای پیشرفته ایست که مصارف غیر نظامی آن با توانهای میلی وات تا مگا وات موضوع تحقیق شرکتهای تولید نیرو، خودرو سازی و نیز شرکتهای نفتی قرار گرفته‌است. پیل سوختی مجموعه‌ای از الکترولیت ، الکترودها و صفحات دو قطبی است. در پیل سوختی(به‌عنوان مثال نوع الکترولیت پلیمر جامد)، هیدروژن از آند و اکسیژن از کاتد وارد می‌شوند. هیدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کند. الکترون نیز از طریق مدار خارجی به سوی کاتد هدایت می‌شود. اکسیژن با دریافت الکترون و پروتون به آب تبدیل می‌شود. حرکت الکترون از آند به کاتد جریان برق را به وجود می‌آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است .آب حاصل در کاتد میتواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

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، “BaconCell” 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 پیل های سوختی برای فضانوردان آب آشامیدنی نیز تولید می‌کرد. پس از کاربرد پیل های 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.
در کل تاریخچه این پیل‎ها به دو دوره متمایز تقسیم می‎شود : دوره اول که حدود صد سال طول کشید ، از سال 1839 با ساخت اولین پیل سوختی با الکترولیت اسید سولفوریک توسط آقای گرو آغاز گردید. با تلاش دانشمندان بزرگی مانند جکس، هابر، مون و همکاران و شاگردان آنها منجر به درک علمی از پیل سوختی و شنا‎‎‎‎‎‎خت تنگناهای این فن‎آوری تا سال 1940 گردید.
دوره دوم از سال 1940 آغاز می‎شود که بین سالهای 1950 تا 1960 نمونه‎های تحقیقاتی متعددی از پیل‎های سوختی توسط شرکت‎های بزرگی مانند جنرال الکتریک با ظرفیت02/0 وات الی 15 وات ساخته شد. اما هنوز این ظرفیت برای کاربردهای فنی و صنعتی مورد نظر، کافی و قابل قبول نبود. تا اینکه درسال 1965 یک واحد پیل سوختی با ظرفیت یک کیلو‎‎‎وات توسط شرکت جنرال الکتریک به منظور استفاده در ماهواره گمینی5 ،ساخته شد و توجه دانشمندان را به خود جلب نمود. این پیل سوختی با ولتاژ 25 ولت و شدت جریان خروجیA 40 آمپر توانست در طول 7 پرتاب ماهوارة گمینی 5، انرژی برابر با 519 کیلووات ساعت طی بیش از 840 ساعت پرواز را تامین کند. بدین ترتیب معلوم گردید که پیل‎های سوختی می‎توانند برای بسیاری از مقاصد هوا - فضا مناسب بوده و انرژی مورد نیاز آنها را به صورت پیوسته و پایدار تامین کنند. این امر موجب گردید تا در سراسر جهان روی توسعة دانش فنی و تکنولوژی ساخت پیل‎های سوختی سرمایه‎‎گذاری‎های بزرگی صورت گیرد. امروزه نیز تحقیقات وسیعی در جهت ارتقاء ظرفیت ، کاهش هزینه‎های ساخت و بهره ‎‎بر‎داری و توسعة ویژگی‎های کاربردی پیل‎های سوختی در جریان می‎باشد. برق خروجی از پیل‎های سوختی جریان مستقیم (DC) است. بنابراین برای مصرف ‎‎کننده‎های جریان متناوب از مبدل‎های DC به AC استفاده می‎کنند. از پیل‎های سوختی می‎توان برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز در مناطقی که دور از شبکه‎های سراسری انتقال و توزیع برق هستند و نیز در ایستگاه‎های ماهواره‎ای و مخابراتی وغیره نیز به طور رضایت‌بخشی استفاده نمود .

تعریف

پیل‎‎‎‎‎‎‎‎‎های سوختی فن‎آوری جدیدی برای تولید انرژی هستند که بدون ایجاد آلودگی‎های زیست محیطی و صوتی ، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده ، انرژی الکتریکی با بازدهی بالا تولید می‎‎‎‎کنند. تولید مستقیم الکتریسیته جایگزینی برای چرخه کارنو جهت تبدیل انرژی شیمیایی حاصل از سوخت به انرژی گرمایی و مکانیکی و در نهایت الکتریسیته می‎‎باشد که اتلاف انرژی را به حداقل ممکن می‎رساند و به بازدة تئوری دست پیدا می‎کنیم. در پیل‎های سوختی اکسید جامد)سرامیکی(اکسید سرامیک () رسانای یون در الکترولیت است و از اهمیت بسزایی برخوردار است. این پیل در دمای بین 600 تا 1000 درجه سانتیگراد کار می‎کند و با بازده در حدود 60 درصد، توان الکتریکی معادل 100 مگاوات دارد. در حال حاضر تعداد زیادی از محققان روی جنبه‎های مختلف پیل سوختی اکسید جامد، جهت بهبود خواص پیل کار می‎کنند. برای این کار روی خواص الکترودها و الکترولیت که مهم‌ترین قسمت‎های پیل SOFC می‎باشند را بهینه سازی می‎کنند و روی عناصر و مواد تشکیل دهنده آنها مطالعه انجام می‎دهند.
پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریسیته‌است. این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از بازدهی بالایی برخوردار است. در واقع می‌توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز آب استفاده می‌گردد. یعن از واکنش بین ئیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌گردد. هر سلول در پیل های سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت تشکیل شده‌است.

پیل سوختی، فناورى سازگار با محیط زیست

یک دانشمند انگلیسى به نام «ویلیام رابرت گرو» در سال 1839(قرن 19)، با ترکیب اکسیژن، هیدروژن و آب توانست جریان الکتریسیته تولید کند. فرآیند یادشده در تولید جریان الکتریسیته بر عکس فرآیند الکترولیز است که در آن براى شکستن آب به اجزاى سازنده آن، از جریان الکتریسیته استفاده مى شود. پیل هاى سوختی، دستگاه هاى الکتروشیمیایى هستند که براى تبدیل یک سوخت به انرژى به کار مى روند. پیل سوختى را نمى توان در زمره باترى ها یا بخشى از نیرو متحرکه هاى (موتورهای) درون سوز به شمار آورد، اما براى درک بهتر مفهوم آنها استفاده ترکیبى از دو فناورى یاد شده مناسب تر است، زیرا جریان الکتریسیته محصول پیل سوخت ها است. انرژى اصلى یک پیل سوختى را هیدروژن تشکیل مى دهد، اما واکنش میان اتم اکسیژن و اتم هیدروژن در هنگام تشکیل آب، فرآیند اصلى تولید انرژى پیل سوختى به شمار مى رود. براى سرعت بخشیدن به روند انجام واکنش یاد شده و تولید جریان برق از کاتالیزور استفاده مى شود. بهترین کاتالیزور این واکنش «پلاتین» است. شکل ظاهرى همه پیل سوختى ها به هم شبیه است . دو الکترود مثبت(آند) و منفی(کاتد) اجزاى سازنده آن را تشکیل مى دهد که به دور یک الکترولیت(جامد یا مایع) پیچیده شده اند. یک مدار خارجى دو الکترود را به هم اتصال داده و الکترون هاى اطراف مدار را به جریان الکتریسیته تبدیل مى کند. درحقیقت واکنش شیمیایى میان عناصر اکسیژن و هیدروژن در پیل سوختى سبب تولید انرژى پاک مى شود. تنها محصول جانبى حاصل از این فرآیند، آب است. در پیل هاى سوختى مختلف از سوخت هاى مختلف استفاده مى شود و الکترولیت هاى متفاوتى در آنها به کار مى رود. مزیت ها و عیب هاى پیل سوختى ها پیل سوختى در عصر ما سوختى ارزان، تجدید پذیر و فاقد آلایندگى به شمار مى روند، اما در کنار مزیت هاى فراوان خود، عیب هایى نیز دارند. مثلاً براى تأمین انرژى مورد نیاز یک ماشین گران قیمت باید در فکر تهیه یک پیل سوختى قوى بود و براى راه اندازى یک موتور استاندارد خودرو، ساخت پیل سوختى 50 کیلوواتى اجتناب ناپذیر است. مسئله بعدی، قیمت آنها است. زمانى که اولین بار در آمریکا و در دهه 1960 از پیل سوختى براى تأمین برق فضاپیماها استفاده شد؛ قیمت هر کیلو وات آن 500 هزار دلار بود. اما در حال حاضر تا هر کیلووات 500 دلار کاهش قیمت داشته است. با وجود این هنوز هم به کارگیرى یک موتور پیل سوختى حدود 25 هزار دلار هزینه در پى دارد که 10 برابر قیمت یک موتور درون سوز است. گستره کاربرد پیل سوختى کاربرد وسیع پیل سوختى ها را در نیروگاه هاى تولید انرژى هاى جانشین و موتورهاى جدید خودروها چندین دهه شاهد هستیم. امروز شرکت هاى ماشین سازى فراوانى در جهان، هزینه هاى هنگفت خود را صرف توسعه پیل سوختى ها مى کنند. شرکت «فورد» و شرکت «بالارد پاور سیستمز» که یک شرکت کانادایى و از پیشگامان استفاده از فناورى پیل سوختى است، حدود 750 میلیون دلار در اجراى یک پروژه مشترک توسعه تجارى وسایل نقلیه سرمایه گذارى کرده اند و برنامه بعدى آنها سرمایه گذارى 2/1 میلیارد دلارى در زمینه ساخت خودروهایى با کاربرى پیل سوختى ها است. شرکت هاى تویوتا و جنرال موتور نیز درصدد رقابت در این زمینه هستند. اما شاید اعمال استانداردهاى سخت نسبت به موتورهاى درون سوز، علت اصلى این همه رقابت و تلاش براى به کارگیرى فناورى پیل سوختى باشد. به گفته محققان، فناورى پیل سوختى در دهه گذشته از یک صنعت کوچک به یک صنعت بزرگ و رو به رشد تبدیل شده است. از دلایل این رشد ناگهانی، استفاده گسترده صنعت خودروسازى در ساخت موتورهاى هیبرید(دوگانه سوخت) است. شرکت هاى ماشین سازى میزان فروش خود را در گرو قیمت سوخت خودروها مى دانند و از این رو رویکرد آنها به سرمایه گذارى در این بخش، بیش از گذشته است. کاربرد پیل سوختى ها امروز منحصر به یک صنعت خاص نیست. از جمله کاربرد هاى جدید آنها در یک دستگاه پیل سوختى کوچک و قابل حمل است که براى تأمین انرژى تلفن هاى همراه و کامپیوترهاى کیفى به کار مى رود. یک نمونه از این نوع پیل سوختى ها را شرکت «نى پاور سیستمز» طراحى کرده است. این پیل سوختى جدید که قابل تعبیه در کیس کامپیوترها است، مى تواند دو یا سه برابر باترى هاى دیگر برق تولید کند. کاربرد دیگر پیل سوختى در صفحات خورشیدى هیبریدى است. بازده انرژى در این گونه صفحات افزایش یافته و آلایندگى آنها به صفر رسیده است.

انواع پیل سوختی

پیلهای سوختی در انواع زیر موجود می‎باشند: پیل‎های سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آن‎ها به پنج نوع اصلی طبقه بندی می‎شوند.
• پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشاء مبادله کننده پروتون (PEFC)
• پیل سوختی قلیایی (AFC)
• پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)
• پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
• پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
لازم به ذکر است که پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC)6 از خانوادة پیل سوختی PEFC است. پیل‎های سوختی بر اساس دمای عملکرد ، دارای دامنة دمایی از 80 برای (PEFC‎) تا 1000 برای (SOFC) می‎باشند. پیل‎های سوختی دمای پایین (PEFC ،PAFC ،AFC) دارای حامل‎های یونیH+ ویا OH- هستند که انتقال یون از میان الکترولیت وانتقال الکترون‎ها از طریق مدار خارجی را به عهده دارند ، و در پیل‎های سوختی دمای بالا مانند الکترولیت کربنات مذاب (MCFC) و الکترولیت اکسید جامد (SOFC) ، جریان الکتریکی به ترتیب از طریق یون‎هایCO32- و O2- انتقال می‎یابد. در پیل‎های سوختی اکسید جامد (SOFC) یا سرامیکی رسانش ‎یون در الکترولیت معمولاً در دمای بین 600 تا 1000 درجه سانتیگراد انجام می‎شود.

مزایا

مزایای پیل‎های سوختی بطور کلی عبارت‌اند از:
• بازده بالا
• سازگاری با محیط زیست
• سادگی سیستم از نظر تعمیر ونگهداری
• تنوع در سوخت مصرفی
• عدم آلودگی صوتی به سبب نداشتن قسمت‌های متحرک
• طراحی و ساخت توان‎های کوچک (میلی وات ) تا بزرگ (مگاوات)
• امکان استفاده از سوختهای فسیلی و پاک، مدولار بودن
• قابلیت تولید هم‌زمان حرارت و الکتریسیته و استفاده در کاربردهای تولید غیرمتمرکز انرژی

معایب

• به مواد بیشتر و فرآیندهای سریعتری نسبت به دیگر پیل‎ها نیاز دارد.
• ممکن است در مدت طولانی کار ، گرما مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی را موجب شود.
• در صورت استفاده از سوخت ناخالص ، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در ‎‎‎‎نهایت مسمومیت پیل می‎گردد.

مزایای پیل سوختی اکسید جامد

• به علت عملکرد دمایی بالا دارای بیشترین راندمان نسبت به سایر پیل‎های سوختی می‎باشد.
• از گرمای تولید شده می‎توان برای افزایش بازدهی مجدد استفاده نمود.
• امکان بازسازی درونی سوخت به خاطر عملکرد دمایی بالا وجود دارد.
• نیازی به کاتالیستهای گران قیمت ندارد.
• برای استفاده از سوختهای مختلف نیازی به مبدل‎های سوخت نیست.
• از آنجاییکه پیل سوختی اکسید جامد دارای الکترولیت جامد است مشکل خوردگی مواد کم می‎باشد .
• برای ساخت اجزای پیل می‎توان از فن‎آوری لایه نازک استفاده نمود. ولی در پیل‎های سوختی با الکترولیت مایع چنین امری دست نیافتنی است.
پیل سوختی اساساً وسیله ایست که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و...) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل می‌کند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باطری بوده ولی بر خلاف باطری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد. پیل های سوختی میتوانند سوخت‌های حاوی هیدروژن مانند متانول( Methanol ) ، اتانول ( Ethanol) ، گاز طبیعی ( Natural Gas ) و حتی بنزین و گازوئیل را مورد استفاده قرار دهند. بطورکلی در سوخت‌های هیدروکربوری، هیدروژن توسط یک دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بکار گرفته می‌شود. پیل های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش بسزائی داشته و بخاطر عدم بکارگیری قطعات مکانیکی زیاد، ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی‌نماید. علاوه بر آن سیستم پیل سوختی از کارائی نسبتاً بالائی نسبت به موتورهای احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژی در سالهای 1973 و 1991 و آلودگی فزاینده محیط زیست، کشورهای صنعتی را بر آن داشت تا جهت استفاده از سیستم‌هایی با راندمان بالا و سازگار با محیط زیست سرمایه گذاری کلانی نمایند. سیستم‌های پیل سوختی از جمله تکنولوژیهای پیشرفته ایست که مصارف غیر نظامی آن با توانهای میلی وات تا مگا وات موضوع تحقیق شرکتهای تولید نیرو، خودرو سازی و نیز شرکتهای نفتی قرار گرفته‌است. پیل سوختی مجموعه‌ای از الکترولیت ، الکترودها و صفحات دو قطبی است. در پیل سوختی(به‌عنوان مثال نوع الکترولیت پلیمر جامد)، هیدروژن از آند و اکسیژن از کاتد وارد می‌شوند. هیدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کند. الکترون نیز از طریق مدار خارجی به سوی کاتد هدایت می‌شود. اکسیژن با دریافت الکترون و پروتون به آب تبدیل می‌شود. حرکت الکترون از آند به کاتد جریان برق را به وجود می‌آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است .آب حاصل در کاتد میتواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

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. پیل های 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.

ادامه مطلب...

About the science we do

Theme 1: Microbial Fuel Cells

.

Small scale Microbial Fuel Cell Stacks as a means of scaling up and implementation in low power and robotic applications

A Microbial Fuel Cell (MFC) is a bio-electrochemical system (BES), capable of generating electricity from organic matter. As a technology, it is receiving increased attention from the international community as a viable alternative energy source. It offers attractive benefits, such as waste, food-waste and wastewater treatment, pure water generation (from the cathode) and the potential to sense the environment in terms of Bilingual Oxygen Demand (BOD) and levels of water contaminants. MFCs employ bacteria, held in contact or in the vicinity of an electrode in the anode, to convert organic matter (the fuel) into electrical power. Hence they can also be used to remove (oxidising) contaminants from water supplies with the advantage that the electrical power that is simultaneously produced offsets the energy costs for remediation.

As knowledge about this technology advances, the system limitations become more evident. A key limitation is the maximum bio-electrochemical potential difference (open circuit voltage) that can be produced. This is governed by the bacterial internal metabolic (most negative) redox couple (NADH/NAD+) and the standard redox potential associated with the catholyte employed, which has been calculated to be 1.14V (for an oxygen-diffusion based cathode). This value, albeit the theoretical maximum, is insufficient to energise practical applications. Therefore there is a genuine need to use multiple MFCs connected as stacks (or networks) for powering real world applications. Over the last few years it has been shown that MFCs can work as the sole power supply for small robots (see EcoBots I, II and III; EcoBot-III is shown below). Designing MFCs with a practical application in mind (e.g. remote sensors, wireless transmitters, small dc motors, small dc pumps, small robots) is perhaps one of the most pragmatic ways that the technology can be driven forward.

 Theme 2: Enzyme Systems

News items have recently been published in both Chemical Science Magazine and Chemistry World Magazine (Royal Society of Chemistry) that highlight work reported by Fraser Armstrong"s group (Department of Chemistry, University of Oxford) in a recent Hot Article  [Chem. Commun., 2006, 5033, DOI: 10.1039/b614272a].

This work details the development of micro enzyme fuel cells (see below) containing both oxygen-tolerant hydrogenase enzymes for hydrogen oxidation and laccase enzymes for oxygen reduction.

منبع:

http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-iv/thermal-chemical-currents/electrochemical-cells.php

The fact that chemical reactions produce electrical effects was discovered accidentally in 1791 by Luigi Galwani, professor of anatomy at the University of Bologna, Italy. He found that an electric current flowed across two dissimilar metals between which was a moist substance. In his case, the moist substance was a frog and the passage of electrical current was detected by the twitching of its leg. Galvani thought that this was a manifestation of animal electricity. Ten years later, Alessandro Volta, a professor of natural philosophy at the nearby University of Pavia, successfully reproduced some of Galvani"s results with inanimate things. He assembled a series of silver and zinc discs in pairs separating each pair with a sheet of pasteboard soaked in conducting liquid. When the top most disc of silver was connected by a wire with the lower zinc disk, a steady current of electricity was produced. This is a voltaic pile. The basic reason for this electrochemical effect became clear rather slowly.

Electrodes: Copper (+ve) and Zinc (- ve)

Electrolyte: dil. H₂SO₄ (dilute sulphuric acid)

At cathode:

At anode:

The Zn²⁺ repel the H⁺ in the solution towards the copper electrode. They extract e^- from the copper rod and become neutral hydrogen atoms and finally escapes as gas. Due to this, the copper rod becomes positively charged and the zinc rod negatively charged. This process continues and a maximum potential difference is reached between the two electrodes dipped in the electrolyte. The emf is 1.08 volt. When connected externally through any resistor or bulb, conventional current flows from Cu to Zn. Electric current can be continuously drawn from the cell till all the zinc is dissolved or sulphuric acid is consumed.

This arises due to the presence of impurities in the zinc rod. These impurities form minute local cells all along the zinc rod; small local currents are set up resulting in the wastage of zinc even when the cell is not being used. This can be eliminated by rubbing mercury on the zinc rod (i.e., amalgamation).

A layer of neutral hydrogen is formed near the copper rod thus weakening the action of the cell by increasing its internal resistance and also producing a back emf. This is removed by using a depolariser like MnO₂ or CuSO₄, which oxidizes hydrogen into water.

In spite of the small emf and limited energy capacity, cells are used widely because of their compactness and convenience. We discuss here a few. Types of electrochemical cells, mostly those in common use.

Electrodes: Copper vessel (+ve)

Zinc rod (-ve) (amalgamated)

Electrolyte: dil. H₂SO₄

Depolarizer: CuSO₄ solution

The porous pot (of fired clay or porcelain) allows ions to pass between the two solutions, but prevents the solutions from mixing. A perforated shelf containing CuSO₄ crystals is placed near the top of the Cu vessel to maintain the CuSO₄ solution concentration.

The hydrogen ions so formed diffuse through the porous pot and interact with copper sulphate forming H₂SO₄ and Cu²⁺ ions.

Therefore, 2H⁺ + CuSO₄ ------> H₂SO₄ + Cu²⁺.

The copper ions are deposited on the vessel and there is no depolarisation. The zinc rod, which is amalgamated, avoids local action. The emf is 1.12 V.

Electrodes: Carbon rod (+ve)

Zinc rod (-ve)

Electrolyte: Saturated NH₄Cl solution

Depolariser: MnO₂

The electrons thus released move to the zinc rod via the external circuit. The ammonia gas so produced escapes. The hydrogen ions diffuse through the porous pot and interact with MnO₂. (The charcoal powder makes MnO₂ electrically conducting.) Therefore,

These positive charges are given to the carbon rod increasing its positive potential with respect to the electrolyte. The depolarisation action proceeds slowly. When current is drawn continuously, a partial polarisation therefore sets in, because of which the current falls. So the circuit is switched off till the hydrogen gas escapes. It is ready for use after sometime.

The Leclanche cell is used when intermittent currents are needed.

The emf of the cell is 1.45 V.

This is a portable form of Leclanche Cell. A moist paste of NH₄Cl and ZnCl₂ is contained in a zinc vessel acting as the negative electrode. ZnCl₂ is added to the electrolyte NH₄Cl. It keeps the paste moist because it is highly hygroscopic. The top is sealed with shellac or pitch so that paste does not dry up. The carbon rod covered with a brass cap is placed in the middle of the vessel surrounded by a paste of charcoal and MnO₂ in a muslin bag acts as the positive electrode. A small hole is provided in it to allow the gases formed by chemical action to escape.

The emf is ~ 1.5V

The dry cell is useful in circuits requiring only intermittent current because it can provide only 0.25 A continuously. If more than this is drawn continuously, polarization occurs

نام خدا

ساختار الکترود استاندارد هیدروژن :

این تصاویر از منبع زیر گرفته شده است :

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3313/3392587/blb2004.html

 در این الکترود تعادل زیر برقرار است :

2H⁺ + 2e  <=> H₂

در الکترود استاندارد هیدروژن :

1) فشار گاز هیدروژن چقدر است ؟

2) E⁰ آن بنا به قرارداد چقدر در نظر گرفته می شود ؟

نکته : اگر درپیل تشکیل شده از یک الکترود فرضی با الکترود استاندارد هیدروژن ? این الکترود نسبت به SHE آند واقع شود E⁰ آن منفی و در سری الکتروشیمیایی جایگاهی بالاتر از هیدروژن دارد . مانند : روی و یا آهن

نکته : اگر درپیل تشکیل شده از یک الکترود فرضی با الکترود استاندارد هیدروژن ? این الکترود نسبت به SHE کاتد واقع شود E⁰ آن مثبت و در سری الکتروشیمیایی جایگاهی پایین تر از هیدروژن دارد . مانند : مس و یا نقره

این تصویر از منبع زیر گرفته شده است :

http://www.tutorvista.com/content/chemistry/chemistry-iii/redox-reactions/electrode-potential-measurement.php

منبع فارسی:http://www.chem14.blogfa.com/

Cobalt redox couple boosts thermoelectric cells

Scientists in Australia have improved a technology that recycles waste heat into useable energy by using ionic liquids containing cobalt redox couples as the electrolytes in thermoelectric cells.

Thermoelectrochemical devices generate power when a temperature gradient exists across a redox couple. The power generated is not yet enough to use as a primary energy source, but thermoelectric cells are useful for harvesting waste energy from energy production.

Aqueous or organic solutions traditionally form the electrolyte in thermoelectrochemical cells. The volatility of water and most organic solvents restrict working temperatures as the solvent can evaporate, reducing the long term stability and power output of the cells. Ionic liquids have extremely low vapour pressures, because of the strong ionic interactions, so do not easily evaporate. Their low thermal conductivity compared to water also helps ionic liquids maintain the temperature gradient across the device.

The outstanding performance of the device developed by Jenny Pringle, from Deakin University, Melbourne, and colleagues Doug MacFarlane and Ted Abraham at Monash University, stems from the high entropy difference of a Co²⁺/Co³⁺ redox couple. Upon reduction, the transition of cobalt from low to high spin causes a large change in metal–ligand bond length, and is thought to be the reason that this system produces such high voltages.

‘Although the power from these devices is not massive, it is enough to offset demand. They have advantages over solid semiconductor devices as they could be flexible, cheaper and work at lower temperatures. For example they could be wrapped around hot pipes in power plants,’ explains Pringle.

Commenting on the potential of thermoelectric devices to recycle ambient heat in a residential or office setting, Pringle says ‘they would work, but due to the smaller temperature difference, the power recovered would be lower.’

‘Power generation typically requires temperatures of over 1000 °C. This technology can concentrate low-grade waste heat in the 100–200 °C range into high density useful power,’ comments George Chen, an expert in electrochemical technologies at the University of Nottingham, UK.

Joseph Heremans, who researches waste heat recovery at Ohio State University, US, has concerns about the wider application of the devices. ‘Electrolytic devices have moving parts, unlike classical thermoelectrics, because they require fluid motion, if not a pump. They can be designed so that natural convection takes care of this, but the devices are still sensitive to orientation. This would render them unsuitable for transport applications.’

Pringle says that, as this is the first report of a cobalt redox couple being used in ionic liquid electrolytes for thermoelectrochemical cells, they are still learning how they work

منبع:

http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/07/cobalt-redox-thermoelectric-cells-ionic-liquid

الکتروشیمی

مقدمه

الکتروشیمی علمی پیچیده و گسترده است.هدف از این مقاله آشنایی سطحی با این علم از طریق معرفی اصطلاحات و مفاهیم مهم آن است.آشنایی با این اصطلاحات و مفاهیم کمک خوبی برای درک نحوه کار باتری اتومبیل است.

بخشی از علم الکتروشیمی مورد نظر ماست که به مطالعه پیل های گالوانیک و الکترولیز اختصاص دارد.وقتی جریان برق از الکترولیتی می گذرد سبب انجام واکنش های شیمیایی خاص و جا به جا شدن ماده می شود.بعضی واکنش های شیمیایی که در شرایط خاصی انجام می شوند با مصرف انرژی آزاد موجود در سیستم انرژی الکتریکی تولید می کنند.

واکنش هایی بیشتر مورد توجه ما هستند که برگشت پذیر باشند؛ یعنی واکنش هایی که بتوانند انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی یا انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.بعضی از اصطلاحات الکتروشیمی ممکن است گمراه کننده باشند.در زیر بعضی از این اصطلاحات را به طور اجمال شرح می دهیم.

• آند : الکترود مثبت پیل.
• آنیون : یون با بار منفی که در حین الکترولیز به طرف قطب مثبت می رود.
• الکترود : صفحه های باتری یا حمام الکترولیز که در الکترولیت آویزان اند.
• الکترولیت : مایع رسانای یون دار که هر دو الکترود را می پوشاند.
• الکترولیز : رسانش الکتریسیته بین دو الکترود فرو رفته در محلول حاوی یون (الکترولیت) که سبب ایجاد تغییر شیمیایی در الکترود ها می شود.
• پخش : مخلوط شدن خود به خودی گاز ها و مایعات.

·        پیل گالوانیک ثانویه : پیلی حاوی الکترود و الکترولیت که وقتی پر می شود انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کند و در هنگام تخلیه انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی مبدل می سازد.

·        تفکیک : تجزیه اتم ها یا مولکول های موجود در یک محلول به یون های مثبت و منفی.مثلا اسید سولفوریک (H₂SO₄) به یون های H⁺, H⁺ (یون مثیت یا کاتیون ، که جذب کاتد می شود) و SO₄^{- -} (یون منفی یا آنیون که جذب آند می شود) تفکیک می شود.

·        کاتد : الکترود منفی پیل.

·        کاتالیزور : ماده ای که سرعت انجام واکنش را به شدت افزایش می دهد ، بدون آنکه ظاهرا در واکنش شرکت کند.

·        کاتیون : یون با بار مثبت که در حین الکترولیز به طرف قطب منفی می رود.

·        یون : یک ذره اتمی یا مولکولی با بار مثبت یا منفی.

رسانش الکترولیتی

الکتریسیته به دو راه در رسانا ها جاری می شود.راه اول حرکت الکترون است که در بیشتر فلزات مشاهده می شود.راه دوم حرکت یونی یا حرکت اتم ها یا مولکول های بار دار است. برای جریان یافتن الکتریسیته در الکترولیت به جریان یونی نیاز است.

برای توصیف رسانش الکترولیتی یا ، به عبارت دیگر ، عبور الکتریسیته از یک مایع ، مایع مناسبی مانند اسید سولفوریک (H₂SO₄) را انتخاب می کنیم. وقتی اسید سولفوریک با آب مخلوط شود به یون های مثبت و منفی  H⁺, H⁺ و SO₄^{- -} تفکیک می شود.یون های مثبت جذب الکترود منفی و یون های منفی جذب الکترود مثبت می شوند.این حرکت را جریان یونی می نامند.

قانون اهم و مقاومت الکترولیتی

مقاومت هر ماده به عامل های متغیر زیر بستگی دارد :

• جنس ماده
• دما
• طول ماده
• سطح مقطع ماده

این مطلب هم در مورد الکترولیت ها و هم در مورد رسانا های جامد صادق است. طول و سطح مقطع با مقاومت جسم رابطه مستقیم دارند ، خواه جسم جامد باشد و خواه مایع.اما بر خلاف فلزات که با افزایش دما مقاومت آنها افزایش می یابد ، در الکترولیت ها معمولا با افزایش دما مقاومت کاهش می یابد.

جنس یا رسانایی (عکس مقاومت) ماده نیز در جامدات و مایعات تاثیر های متفاوتی دارد. مقاومت ویژه الکتریکی مواد مختلف یکسان نیست ، اما در مورد الکترولیت ها غلظت الکترولیت نیز موثر است.

عمل الکتروشیمیایی باتری سرب-اسیدی

یک باتری سرب-اسیدی کاملا پر (شارژ) از صفحه های مثبت پراکسید سرب (PbO₂) ، صفحه های منفی سرب اسفنجی و اسید سولفوریک رقیق (H₂SO₄ + H₂O) تشکیل می شود. چگالی نسبی این الکترولیت 1.28 است. سرب ماده ای فعال است و در دو صورت خود ظرفیت های متفاوتی دارد.به عبارت دیگر تعداد الکترون های لایه خارجی سرب خالص با تعداد الکترون های لایه خارجی پراکسید سرب متفاوت است.در حقیقت پراکسید سرب ظرفیت +4 دارد.

چنان که در اوایل فصل گفته شد ، وقتی اسید سولفوریک با آب مخلوط شود به یون های بار دار H⁺, H⁺ و SO₄^{- -} تفکیک می شود. از لحاظ کلی به نظر می رسد که الکترولیت ، که آن را آب باتری می نامند، خنثی است زیرا این بار های الکتریکی یکدیگر را خنثی می کنند.اما با تفکیک الکترولیت به این اجزا ، جریانی از الکترولیت می گذرد که سبب پر شدن یا تخلیه باتری می شود.

ولتاژ پیل را یون هایی ایجاد می کنند که بر اثر فشار محلول از الکترود ها وارد محلول می شوند.سرب 2 اتم با بار مثبت وارد محلول ها می کند که دو الکترون به محلول اضافه می کنند.در نتیجه جدا شدن دو ذره با بار مثبت از الکترود ، الکترون اضافی در الکترود باقی می ماند و الکترود نسبت به الکترولیت منفی می شود.اگر الکترود دیگری را در داخل الکترولیت فرو ببریم ، پتانسیل های مختلفی در دو الکترود ایجاد می شود و بنا بر این بین آن ها اختلاف پتانسیل وجود خواهد داشت. اختلاف پتانسیل نامی یک باتری سرب-اسیدی 2V است.فشار الکتربیکی ناشی از وجود صفحه ها سبب برقراری تعادل در الکترولیت می شود. بار های منفی روی یک صفحه یون های مثبتی را که وارد محلول شده اند جذب می کنند.اندازه این نیروی جاذب با فشار محلول برابر است و در نتیجه تعادل برقرار می شود.وقتی یک مدار خارجی به پیل متصل می شود. فشار محلول و نیروی جاذب از بین می رود. در نتیجه ذره های بار دارد بیشتری می توانند وارد الکترولیت شوند و از آن عبور کنند.اما این اتفاق فقط در صورتی رخ می دهد که فشار ولتاژ خارجی از کشش الکتریکی در داخل پیل بیشتر باشد. این ولتاژ را ولتاژ پر کردن باتری یا ولتاژ باتری پر کنی می نامند.

وقتی یک باتری سرب-اسیدی پر یا خالی می شود تغییرات شیمیایی خاص در داخل آن انجام می گیرد.این تغییرات را می تواند به صورت دو واکنش شیمیایی در نظر گرفت.یکی از این واکنش ها در صفحه مثبت و واکنش دیگر در صفحه منفی انجام می شود.. واکنشی که در صفحه مثبت انجام می شود ترکیبی از معادله های (الف) و (ب) است.

(الف)

PbO₂  +  4H⁺  +  2e^-   --→  Pb²⁺  +  2H₂O

پراکسید سرب با هیدروژن تفکیک شده ترکیب می شود تا سرب و آب تولید شود.

(ب)

Pb²⁺  +  SO₄^2-   --→   PbSO₄

اکنون سرب تمایل دارد با سولفات موجود در الکترولیت ترکیب شود و سولفات سرب تشکیل دهد.در نتیجه واکنش در قطب مثبت ، به صئرت کلی زیر نوشته می شود :

(ج)

PbO₂  +  4H⁺  +  SO₄^2-  +  2e^-  --→  PbSO₄  +  2H₂ O

که ترکیب دو واکنش (الف) و (ب) است. در نتیجه انجام این واکنش ، آب (در واکنش الف) و سولفات سرب (در واکنش ب) تولید و اسید سولفوریک مصرف می شود. واکنشی که در صفحه منفی انجام می شود چنین است :

(د)

Pb  --→  Pb²⁺   +   2e^-

سرب خنثی دو الکترون منفی به محلول می دهد و بار مثبت پیدا می کند.

(ه)

Pb²⁺   +  SO₄ ^2-   --→  PbSO₄

سربی که بار مثبت پیدا کرده است تمایل به جذب یون های منفی سولفات از داخل محلول پیدا می کند و در قطب منفی سولفات سرب تشکیل می شود. بنا بر این واکنش کلی در قطب منفی چنین است :

(و)

Pb  +  SO₄ ^2-  --→  PbSO₄  +  2e^-

این واکنش ترکیب واکنش های (د) و (ه) است و در نتیجه انجام آن اسید سولفوریک مصرف و آب تولید می شود ؛ ضمن اینکه باتری هم خالی می شود.

در هنگام پر کردن باتری همین فرایند ، اما این بار در جهت عکس ، انجام می شود. واکنش هایی که در هنگام پر کردن باتری انجام می شود به شرح زیر است.

در الکترود منفی واکنش زیر انجام می شود :

(ز)

PbSO₄  +  2e^-  +  2H⁺  --→  Pb  +  H₂ SO₄

الکترون هایی که از مدار خارجی می آیند (2e^-) با یون های هیدروژن موجود در محلول (2H⁺) و سپس با سولفات ترکیب می شوند و اسید سولفوریک تشکیل می دهند و در صفحه ها سرب تشکیل می شود. در قطب مثبت واکنش زیر انجام می شود :

(ح)

PbSO₄  -  2e^-  +  2H₂ O  --→  PbO₂  +  H₂ SO₄  +  2H⁺

الکترون هایی که به مدار خارجی داده شده (2e) ، یون های هیدروژن (2H⁺) در محلول آزاد می کنند. در نتیجه در صفحه مثبت پراکسید سرب تشکیل می شود و غلظت اسید سولفوریک در الکترولیت افزایش می یابد.

حاصل واکنش های بالا ، یعنی (ج+و  یا  ز+ح)، چنین است :

(ط)

PbO₂  +  2H₂ SO₄  +  Pb  --→  2PbSO₄  +  2H₂ O

این واکنش شیمیایی دو طرفه یا برگشت پذیر (پر شدن باتری در سمت چپ و خالی شدن آن در سمت راست) فرایند کامل چرخه پر و خالی شدن باتری سرب-اسیدی را نشان می دهد.

واکنش دیگری که در باتری انجام می شود و باید به آن توجه کرد واکنش گاز زایی پس از کامل پر شدن باتری است. علت انجام این واکنش آن است که وقتی صفحه های باتری به سرب «خالص» و پراکسید سرب تبدیل شدند ، توان الکتریکی خارجی سبب تجزیه آب موجود در الکترولیت می شود. ولتاژ گاز زایی در باتری سرب-اسیدی در حدود 2.4 ولت است. گاز زایی سبب تولید هیدروژن و اکسیژن و کم شدن آب باتری می شود، در نتیجه چگالی اسید الکترولیت افزایش می یابد.

مانند حالت قبل ، واکنش هایی را که در هر قطب باتری انجام می شود بررسی می کنیم، در صفحه مثبت باتری داریم :

(ی)

2H₂ O  -  4e^-  --→  O₂  +  4H⁺

و در صفحه منفی باتری داریم :

(ک)

4H⁺  +  4e^-  --→  2H₂

با جمع این دو (ی و ک)، واکنش کلی زیر نتیجه می شود:

( ی و ک)

2H₂ O  --→  O₂  +  2H₂

در حقیقت گاز زایی به مدت کوتاه قابل قبول است ، زیرا به این ترتیب می توان مطمئن شد که تمام سولفات سرب به سرب یا پراکسید سرب تبدیل شده است . در گاز زایی ماده ای در واکنش شرکت می کند که توری باتری از آن ساخته شده است. در باتری های بسته این مشکل حاد تر است ، اما با استفاده از سرب-کلسیم به جای سرب-آنتیموان برای ساخت توری این مشکل تا حدودی برطرف شده است.

ولتاژ هر پیل و در نتیجه ولتاژ کلی باتری عمدتا به غلظت اسید در الکترولیت بستگی دارد.

دما نیز تاثیر مهمی در تعیین ولتاژ باتری دارد. ولتاژ باتری را می توان با استفاده از جاذبه الکتریکی میان صفحه ها و غلظت یون های داخل محلول محاسبه کرد. در جدول بالا نتایج این محاسبات در دمای 27 درجه سانتی گراد نشان داده شده است. به عنوان یک راهنمای تقریبی می توان گفت که ولتاژ هر پیل برابر است با 0.84 به علاوه مقدار چگالی نسبی اسید.

ولتاژ خروجی باتری سرب اسیدی باید از 1.8 ولت پایین تر بیاید ، زیرا گذشته از آن که در چنین وضعیتی الکترولیت (آب باتری) به اندازه ای رقیق می شود که به آب خالص بیشتر شباهت دارد، بلور های سولفات سرب هم رشد می کنند و بزرگتر می شوند. به طوری که پر کردن دوباره باتری دشوار می شود.

• H-bonding.gif
• H-bonding.swf
• Hydrogen Spectrum.exe
• acid13.swf
• ادامه مطلب...