تبلیغات
دانش نانو
قالب وبلاگ
دانش نانو
دانستنی هایی درباره دانش و فناوری نانو 
نویسندگان
به نام خدا

در مقاله قبل گفته شد که پیل سوختی پلیمری از جمله مهمترین انواع پیل‌های سوختی است که برای بالا بردن بازده آن، از کاتالیزور گران‌قیمت پلاتین استفاده می‌شود. اشاره شد که این مسئله باعث بالا رفتن قیمت پیل‌های پلیمری می‌گردد. در این مقاله می‌خواهیم به بررسی نقش فناوری‌نانو در پیل‌های سوختی پلیمری بپردازیم.

مرز سه فازی
در الکترودهای پیل سوختی پلیمری از کاتالیزور پلاتین استفاده می‌شود. آرایش اجزاء در این پیل به نحوی است که الکترولیت یا غشا بین دو الکترود قرار می‌گیرد (شکل‌های 1 و 2 را ببینید).


شکل 1. نمایی از اجزاء پیل سوختی


شکل 2. نمایی کلی از پیل سوختی

کاتالیزور پلاتین تنها در نقاطی که در تماس با الکترود و الکترولیت باشد، می‌تواند واکنش‌های پیل سوختی را کاتالیز یا تسریع نماید. به این نقاط «مرز سه فازی» می‌گویند (شکل 3).


شکل 3. مرز سه فازی در پیل‌های سوختی

در گذشته الکترود پیل سوختی پلیمری، از پلاتین ساخته می‌شد. اما امروزه به دو علت این کار انجام نمی‌شود:
یک: در نتیجه‌ی ساخت این الکترودها، مقدار زیادی پلاتین، مصرف شده و قیمت پیل سوختی پلیمری بسیار گران می‌شد.
دو: تعداد مولکول‌های پلاتینی که می‌توانند روی سطح قرار گیرند و با الکترولیت در تماس باشند (یعنی در مرز سه فازی قرار گیرند) بسیار کمتر از کل مولکول‌های پلاتین است. این یعنی اینکه بیشتر مولکول‌های پلاتین نمی‌توانند نقش کاتالیزوری داشته باشند و در واقع، مولکول‌های پلاتینی که روی سطح قرار ندارند به هدر می‌روند. به بیانی دیگر چون تعداد مولکول‌های پلاتین در مرز سه فازی کم بود، بازده پیل سوختی هم پایین بود.
بنابراین، برای حل این مشکل باید دو مسئله رفع می‌شد:

1) مقدار پلاتین مصرفی در ساخت پیل سوختی کاهش می یافت. 2) سطح بیشتری از مولکول‌های پلاتین در دسترس قرار می‌گرفتند.

راه حل
یک راه برای رفع مشکلات مذکور این بود که پلاتین را بر روی ماده‌ای که سطح زیادی دارد پخش کنند. این ماده که بستر نام گرفت علاوه بر داشتن سطح زیاد، بایستی رسانا هم می‌بود. امروزه از انواع مختلف کربن به عنوان بستر پیل‌های سوختی پلیمری استفاده می‌شود. علت اصلی انتخاب کربن به عنوان بستر، ویژگی‌های بی‌نظیر این ماده است که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:



1. قیمت ارزان 2. هدایت الکتریکی بالا 3. مقاومت زیاد در برابر خوردگی 4. پایداری خوب شیمیایی

نقش بستر چیست؟
با پخش کردن پلاتین بر روی کربن، اندازه ذرات پلاتین به حدود 2 نانومتر یا کمتر میرسد. همان‌طور که می‌دانیم وقتی ذرات به ابعاد نانومتری برسند، سطح تماس‌شان به طور چشم‌گیری افزایش می‌یابد، در نتیجه با توزیع پلاتین بر روی یک بستر کربنی، می‌توان با مقدار بسیار کمتر پلاتین به سطح تماس زیادتری دست پیدا کرد. با این کار هم مقدار استفاده از پلاتین کم می‌شود و هم سطح پلاتین بیشتری در دسترس خواهد بود. علاوه بر این به علت واکنش‌های بین پلاتین و بستر، امکان دارد ساختار الکترونیکی اتم‌های پلاتین بهبود یابد که این امر باعث افزایش جزئی فعالیت کاتالیزوری می‌شود. به علاوه، این برهمکنش‌ها، موجب می‌گردد که ذرات پلاتین بر روی بستر گیر کنند، بنابراین ذرات پلاتین دیرتر کلوخه می‌شوند. کلوخه شدن ذرات پلاتین باعث کاهش سطح تماس آنها می‌شود.

دستاوردهای فناوری‌نانو
با استفاده ار فناوری‌نانو می‌توان الکترودهایی سبک، نازک و ارزان قیمت تهیه کرد که نسبت به الکترودهای معمولی بازده بهتری دارند. در این زمینه می‌توان از نانوفیبرهای‌کربنی، نانولوله‌های‌کربنی یا ترکیباتی که دارای حفره‌هایی با اندازه نانومتری دارند استفاده کرد (شکل 4). در این میان نانولوله‌های کربنی بیش از سایرین مورد توجه واقع شده‌اند.


شکل 4. توزیع پلاتین بر روی نانو فیبرهای‌کربنی.

نانولوله‌های کربنی شکل جدید از کربن هستند که می‌توانند تک‌دیواره و یا چنددیواره باشند. این مواد دارای خواص جالبی (نسبت طول به عرض بالا، مقاومت زیاد در برابر خوردگی، هدایت الکتریکی خوب و ...) هستند. (برای مطالعه بیشتر به مقالات مرتبط به نانولوله‌های کربنی در سایت مراجعه کنید.) به علت همین ویژگی‌های منحصر به فرد نانولوله‌های کربنی، امروزه آنها گزینه‌ای مناسب برای بستر پلاتین در پیل‌های سوختی پلیمری به شمار می‌روند. شکل 5 نانولوله‌های کربنی را نشان داده می‌دهد که پلاتین بر روی آنها قرار گرفته است. همان‌طور که در شکل دیده می‌شود با قرار دادن پلاتین بر روی کربن، ذرات پلاتین کوچک شده‌اند.


شکل 5. توزیع پلاتین بر روی نانولوله‌های‌کربنی

به کمک نانولوله‌های‌کربنی می‌توان با استفاده از مقدار کمتری از پلاتین به سطح تماس زیادی دست پیداکرد. در این صورت مقدار مصرف پلاتین و قیمت پیل سوختی کمتر می‌شود.

نتیجه‌گیری
با توجه به مطالبی که در این سه مقاله گفته شد، هیدروژن می‌تواند به عنوان سوختی جایگزین در آینده در نظر گرفته شود. ابزار این کار پیل‌های سوختی است و ازاین‌رو توسعه این دستگاه‌ها به عنوان وسیله تولید الکتریسیته اهمیت زیادی دارد. برای تجاری سازی پیل‌های سوختی باید تلاش کرد تا قیمت آنها را پایین آورد. در این زمینه فناوری‌نانو می‌تواند نقش مهمی داشته باشد و به تولید پیل‌های سوختی با قیمت کمتر و بازده بیشتر کمک کند. نانوفیبرهای‌کربنی، نانولوله‌های‌کربنی یا ترکیباتی که دارای حفره‌هایی با اندازه نانومتری دارند، پیشنهادهای فناوری‌نانو برای بهبود عملکرد پیل‌های سوختی هستند.

 برای آشنایی بیشتر با پیل های سوختنی به ادامه مطلب مراجعه كنید.

منبع:nanoclub.ir

 
  • پیل سوختی1 چیست؟

پیل سوختی وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. عملکرد پیل سوختی مانند باتری نیست که انرژی را ذخیره کند بلکه پیل سوختی حالتی از انرژی به حالت دیگر تبدیل می‌کند، به طوری که در این تبدیل مواد داخل پیل مصرف نمی‌شوند . گاز هیدروژن به دلیل تمایل واكنش دهندگی بالا، فراوانی و عدم آلایندگی محیط زیست، به عنوان سوخت ایده‌آل در پیل‌سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

  •  ساختمان پیل سوختی

هر پیل سوختی از سه جزء اصلی تشکیل شده‌است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشا. گاز هیدروژن که به عنوان سوخت به کار می‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش می‌یابد. طی این واکنش یون هیدروژن مثبت و الکترون تولید می‌شوند. یون‌های هیدروژن به همراه الکترون‌ها از کاتد به آند انتقال می‌یابند. انتقال یون‌های هیدروژن از طریق الکترولیت و انتقال الکترون از طریق یک مدار خارجی صورت می‌گیرد. اکسیژن موجود در کاتد با الکترون‌ها و یون‌های هیدورژن واکنش داده، آب تولید می‌کند. شکل 1 شمایی کلی از یک پیل سوختی را نشان می‌دهد.

 واکنش در آند                                                                                                                                           «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#8594;«/mo»«mn»2«/mn»«msup»«mi»H«/mi»«mo»+«/mo»«/msup»«mo»+«/mo»«mn»2«/mn»«msup»«mi»e«/mi»«mo»-«/mo»«/msup»«/math»
واکنش در کاتد                                                                                                                                         «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»+«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mn»2«/mn»«/mfrac»«msub»«mi»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#8594;«/mo»«msub»«mi»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi»O«/mi»«/math»
  واکنش کلی                                                                                                                                           «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»+«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mn»2«/mn»«/mfrac»«msub»«mi»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#8594;«/mo»«msub»«mi»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi»O«/mi»«/math»

 

تصویر 1- شمای کلی از یک پیل سوختی

واکنش‌های اکسایش-کاهش:
اصطلاح اکسایش، پیش‌تر برای واکنش‌های ترکیب مواد با اکسیژن به کار می‌رفت و کاهش به عنوان برداشتن اکسیژن از یک ترکیب اکسیژن‌دار، تعریف می‌شد. اما امروزه اکسایش و کاهش بر اساس تغییر عدد اکسایش تعریف می‌شود. اکسایش فرایندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم افزایش می‌یابد و کاهش، فرایندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم کم می‌شود.

  •  انواع پیل‌های سوختی

پیل‌های سوختی را به طور معمول، بر اساس نوع الکترولیتی که در آن به کار می‌رود، به پنج دسته طبقه‌بندی می‌کنند:

  1. پیل‌های سوختی قلیایی
  2. پیل‌های سوختی كربنات مذاب
  3. پیل‌های سوختی اسید فسفریك
  4. پیل‌های سوختی اكسید جامد
  5. پیل‌های سوختی پلیمری

از نگاهی دیگر، طبقه‌بندی پیل‌های سوختی بر اساس دمایی است که پیل سوختی در آن کار می‌کند. بر این اساس پیل‌های سوختی به دو دسته کلی پیل سوختی دما بالا و پیل سوختی دما پایین تقسیم‌بندی می‌شوند. در جدول 1 دمایی که انواع پیل‌های سوختی در آن کار می‌کنند، به همراه نوع الکترولیت و نام اختصاری آنها نشان داده شده است.

نوع پیل سوختی نام اختصاری الکترولیت دمای کارکرد (C°)
پیل سوختی پلیمری PEM2 نفیون (نوعی پلیمر) 80-100
100 -80 پیل سوختی قلیایی  AFC3  پتاس 80-100
 پیل سوختی اسید فسفریك  PAFC4  اسید فسفریک 200-220
 پیل سوختی كربنات مذاب  MCFC5  نمک کربنات مذاب 650
 پیل سوختی اكسیدجامد  SOFC6  YSZ ( نوعی سرامیک) 1000
  • مزایا و معایب پیل‌های سوختی
  1.  مزایای پیل‌های سوختی
    - داشتن بازدهی بالا نسبت به وسایلی که از سوخت‌های شیمیایی معمول نظیر نفت و بنزین استفاده می‌کنند.
    - سازگاری با محیط زیست؛ چون تنها محصول جانبی ایجاد شده در پیل‌های سوختی آب می‌باشد.
    - عدم آلودگی صوتی؛ از آن‌جایی‌که در پیل‌های سوختی اجزای متحرک وجود ندارد، این وسیله بسیار بی‌صدا و آرام است.
    - هزینه نصب کم و راه‌اندازی آسان
  2. معایب پیل‌های سوختی
    - ناشناخته بودن فناوری پیل‌های سوختی در جهان
    - گران بودن؛ از آنجایی که هنوز خطوط تولید پیل‌های سوختی وجود ندارد، تولید انبوه آنها بسیار گران است. علاوه براین، در ساخت این وسایل از برخی مواد گران قیمت (مانند کاتالیزورها) نیز استفاده می‌شود.
  • زمینه‌های مختلف استفاده از پیل‌های سوختی:

از پیل‌سوختی می‌توان در زمینه‌های مختلفی برای تولید انرژی استفاده کرد، که معمول‌ترین آنها عبارتند از:

  1. حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایط نقلیه عمومی): امروزه همه تولید‌کنندگان عمده خودرو بر روی تولید تجاری خودروهای پیل سوختی سرمایه‌گذاری کرده‌اند. پیل‌های سوختی می‌توانند به عنوان مولد انرژی در اتوبوس‌ها، قایق‌ها، هواپیماها و حتی دوچرخه‌ها نیز استفاده شوند (شکل 2).


تصویر 2- پیل‌های سوختی می توانند در انواع وسایل نقلیه استفاده شوند. پیل سوختی می‌تواند در قسمت عقب یا جلوی وسیله نقلیه قرار داده شود.

  1. نیروگاه‌ها (نیروگاه‌های متمركز و غیرمتمركز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی): پیل‌های سوختی نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت تولید برق محلی مناسب‌اند. علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.
  2. وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و ...): باتری‌ها برای بسیاری از وسایل قابل حمل مانند کامپیوترهای کیفی و تلفن‌های همراه نامناسب‌اند. باتری‌ها پرهزینه، سنگین و مزاحم هستند و اغلب در بدترین مواقع به شارژ نیاز دارند. پیشرفت‌های اخیر در فن‌آوری پیل سوختی ممکن است به حل این مشکل بینجامد. چند گروه پژوهشی در حال ابداع «ریز پیلهای سوختی» هستند که به تلفن‌های همراه امکان می‌دهد در حالت آماده برای هفته‌ها کار کنند(شکل 3).



تصویر 3- پیل های سوختی می‌توانند برای شارژ کردن انواع وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی) استفاده شوند.

  1. صنایع نظامی: پیل‌های سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانك‌ها، زره‌پوش و خودروهای نظامی استفاده می‌شوند. چون در این دسته از پیل‌های سوختی هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد پس كم صدا بوده و از آنجایی که درجه حرارت پایین نیز کار می‌کنند ردیابی این خودروها نسبت به خودروهای با موتور درون‌سوز مشكل‌تر خواهد بود. پیل‌های سوختی پلیمری که در دمای پایین کار می کند، بیشتر در خودرو و وسایل قابل حمل کاربرد دارد. پیل سوختی اکسید جامد که در دماهای بالاتر به کار می افتد، در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد
  • کاتالیزور و نقش آن در پیل سوختی

واکنش‌هایی که در پیل سوختی اتفاق می‌افتند، از دسته واکنش‌های اکسایش و احیا هستند و سرعت انجام آنها آهسته می‌باشد. بنابراین در پیل‌های سوختی که در دمای کم کار می‌کنند، مانند پیل سوختی پلیمری، برای بالا بردن بازده پیل سوختی باید از کاتالیزور استفاده کرد.

کاتالیزور:
کاتالیزور ماده‌ای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را زیاد می‌کند، بدون این‌که خود در جریان واکنش مصرف شود. از این رو؛ کاتالیزور را می‌تون بدون تغییر، در پایان واکنش بازیابی کرد.

برای افزایش سرعت واکنش پیل‌های سوختی، باید در آند و کاتد از کاتالیزور استفاده کرد. انتخاب کاتالیزور مسئله مهمی است و از هر ماده‌ای نمی‌توان به عنوان کاتالیزور استفاده نمود. کاتالیزوری که واکنش‌های پیل سوختی را سرعت می‌دهد فلز پلاتین است. وقتی هیدروژن به آند وارد می‌شود به کاتالیزور پلاتین می‌رسد و در تماس با آن راحت‌تر اکسید می‌شود. در کاتد نیز گاز اکسیژن بعد از ورود، به کاتالیزور برخورد می‌کند و واکنش کاتدی نیز در حضور پلاتین تسریع می‌شود.
شاید بدانید که فلز پلاتین بسیار گران‌قیمت می‌باشد و همین مسئله سبب افزایش قیمت یک پیل سوختی پلیمری خواهد شد. همین قیمت بالای پیل سوختی باعث شده است که علی‌رغم تمام مزیت‌های پیل سوختی پلیمری، هنوز محصولاتی که با این فناوری کار می‌کنند به صورت تجاری مورد استفاده قرار نگیرند. برای استفاده از پیل سوختی پلیمری باید قیمت آن را کاهش داد. چگونه؟
فناوری‌نانو با ارائه‌ی پیشنهادهایی دراین زمینه، شاید بتواند مشکل را حل کند. در صورتی‌که می‌خواهید بدانید فناوری نانو چگونه این مشکل را رفع می‌کند تا مقاله‌ی بعدی اندکی صبر کنید.
 



طبقه بندی: دستاوردهای نانو، 
برچسب ها: کاربردهای فناوری نانو، پیل سوختی هیدروژن کاتالیزور نانولوله کربنی،  
[ یکشنبه 15 فروردین 1389 ] [ 02:11 ب.ظ ] [ سحر ]
نظرات
.: Weblog Themes By Pichak :.

درباره وبلاگ


درود بر همه ایرانیان شریف
در این وبلاگ مطالبی در مورد دانش و فناوری نانو قرار داده میشود كه امیدوارم مورد توجه شما قرار گیرد.
به این امید كه روزی ایرانی بر فراز قله های دانش قرار گیرد..

آمار سایت
بازدیدهای امروز : نفر
بازدیدهای دیروز : نفر
كل بازدیدها : نفر
بازدید این ماه : نفر
بازدید ماه قبل : نفر
تعداد نویسندگان : عدد
كل مطالب : عدد
آخرین بروز رسانی :
امکانات وب