مهندسی مکانیک

از نظر منابع انرژی، بشر تاکنون چهار عصر را پشت‌سر گذاشته است. عصر اول، عصر «زیست‌توده» است که در طی آن، انرژی موردنیاز بشر از طریق سوزاندن شاخ و برگ درختان تأمین می‌شده است. شاخ و برگ درختان در واقع اولين منبع انرژی بود که توسط انسان شناخته شد، منبعی ساده و دردسترس که نام علمی آن «زيست‌توده» است. به نظر شما منبع اصلی انرژی در زيست‌توده چيست؟ گياهان با انجام عمل فتوسنتز انرژی خورشيد را در برگ‌های خود ذخيره می‌کنند. با سوزاندن اين ترکيبات انرژی ذخيره شده در آنها به صورت حرارت آزاد می‌شود. علاوه بر چوب درختان، منابع جنگلی، ضايعات کشاورزی، فاضلاب شهری و فضولات دامی نيز از منابع زيست‌توده به شمار می‌روند. جمع‌آوری زيست‌توده در حجم‌های بالا بسيار هزينه‌بر است. از طرف ديگر، چون منابع زيست‌توده اغلب مرطوب هستند مقدار انرژی توليدی از آنها به ازای واحد حجم پايين است.
با كشف زغال سنگ و خواص احتراقي آن، بهره‌برداري از اين ماده به‌عنوان يك منبع توليد انرژي حرارتي توسعه فراوانی يافت. اين مسئله با اختراع موتورهاي بخار كه تحول عظيمي در صنعت محسوب می‌شوند، شتاب بيشتري گرفت. توسعه شبكه‌هاي راه‌آهن با لوكوموتيوهايي كه از سوخت زغال سنگ استفاده می‌کنند نيز در شكوفايي اين عصر تاثير فراواني داشت. در واقع؛ اين دوره زماني، عصر تأمين انرژي بشر به وسيله زغال سنگ يا عصر زغال سنگ است.
با كشف نفت و شناخت مزاياي آن نسبت به زغال سنگ، به ويژه در حوزه حمل و نقل، به تدريج بهره‌گيري از زغال سنگ کاهش يافت و نفت خام جایگزین آن شد، تا جائي‌كه در فاصله زماني كوتاهي بخش اعظم انرژي مورد نياز بشر از نفت خام و مشتقات آن تأمين مي‌گرديد. بر مبناي اين روند سريع بود كه نفت خام به عنوان مهمترين ماده تأمين كننده انرژي بشر شناخته شد و اين دوره زماني را بايد بدون ترديد عصر نفت نام نهاد. اما در اثر احتراق نفت، گاز دی اکسيد کربن توليد می‌شود که يک گاز گلخانه‌ای بوده و سبب آب شدن یخ‌ها و در نهایت، گرم شدن هوا خواهد شد. از این رو، گاز طبیعی به سبب ارزان و در دسترس بودن و هم‌چنین کاهش آلودگی زیست‌محیطی، در کنار نفت به عنوان منبع دیگری برای تولید انرژی مورد استفاده قرار گرفت.
امروزه، به علت نگراني‌های مربوط به گرم شدن هوا، رشد جمعيت، پيشرفت فناوری و همچنين، کاهش سريع منابع نفتی جهان، استفاده از منابع جديد انرژی مورد توجه قرار گرفته است. از جمله موادی که می‌تواند جايگزين مناسبی برای سوخت‌های فسيلی باشد، هيدروژن است و وسيله‌ای که با استفاده از آن می‌توان از هيدروژن انرژی گرفت، «پيل سوختی» نام دارد. با توجه به مزيت‌هايی که هيدروژن نسبت به سوخت‌های ديگر دارد، شايد بتوان ادعا کرد که «عصر آينده، عصر هيدروژن خواهد بود».

معرفی هيدروژن
شايد بزرگترين ویژگی هيدروژن، فراوانی این عنصر در طبیعت باشد. حتماً تعجب خواهيد کرد اگر بدانيد که بنا بر برآوردهاي انجام شده، حدود 90 درصد از اتم‌ها و نيز حدود 70 درصد از جرم کل هستی را هيدروژن تشکيل داده است. اين ماده در تمام ستاره‌ها وجود دارد و منبع اصلی تهيه انرژی ستاره‌ها به واسطه واکنش‌های هسته‌ای است.

مزايای استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت

• حداقل آلودگی محيط زيستی
  در نتیجه‌ی سوختن مستقيم هيدروژن با اکسيژن هوا و يا واکنش الکتروشيميايی غيرمستقيم هيدروژن با اکسيژن هوا، آب توليد می‌شود و بر خلاف سوخت‌های فسیلی، گازهايی مانند دی‌اکسيد کربن، منوکسيد کربن، گوگرد و ذرات نسوخته هيدروکربنی به وجود نمی‌آيد.
• امکان توليد از منابع فسيلي و پاك
  همان‌طور که اشاره شد، هيدروژن به صورت خالص وجود ندارد اما می‌توان آن را از منابع مختلف مانند زغال سنگ، گاز طبيعی، زيست توده و آب تهيه کرد. اين روش‌ها به صورت جزئی در مقالات بعدی بررسی می‌شوند.
• قابليت سوختن در موتورهاي احتراقی
  می‌توان هيدروژن را به عنوان سوخت در خودروها به کار برد. استفاده از پيل سوختی از سوی خودروسازان به صورت آزمايشی آغاز شده است، البته در آمريکا استفاده از آن گستردگی بيشتری دارد. خودروهای پيل سوختی در واحد پيل خود از واکنش هيدروژن و اکسيژن، برق توليد می‌کنند و از برق توليدی نيز برای به حرکت در آوردن چهار الکتروموتور استفاده می‌شود که خروجی سيستم نيز تنها آب است. در بعضی موارد، نيروی محرکه خودرو از يک باتری يون ليتيوم تامين می‌شود که شارژ آن توسط مولد پيل سوختی انجام می‌شود. 
• هيدروژن به راحتی به وسيله خط لوله انتقال داده می‌شود.
• هيدروژن داراي بالاترين ظرفيت انرژي به ازاي هر واحد وزن سوخت مي‎باشد. يعنی ميزان حرارت توليد شده از آن در اثر احتراق در واحد وزن بيشتر از هر سوخت ديگري است.
• هيدروژن فراوان بوده و تجديد پذير است.

منابع توليد هيدروژن

گاز هيدروژن را می‌توان هم از منابع اوليه تجديدپذير مانند زيست‌توده و هم از منابع تجديدناپذير مانند گاز طبيعی، نفت و زغال سنگ توليد کرد.  امروزه توليد گاز هيدروژن از منابع تجديدپذير به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را مي‌پيمايد. اين در حالي است که توليد گاز هيدروژن از منابع تجديدناپذير به ويژه منابع فسيلي به علت محدود بودن اين منابع روز به روز کاهش مي‌يابد.

• پيل سوختی¹ چيست؟

پيل سوختي وسيله‌اي است که انرژي شيميايي سوخت را مستقيماً به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند. عملکرد پيل سوختي مانند باتري نيست که انرژي را ذخيره کند بلکه پيل سوختي حالتي از انرژي به حالت ديگر تبديل مي‌کند، به طوري که در اين تبديل مواد داخل پيل مصرف نمي‌شوند . گاز هيدروژن به دليل تمايل واكنش دهندگي بالا، فراوانی و عدم آلايندگی محيط زيست، به عنوان سوخت ايده‌آل در پيل‌سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

•  ساختمان پیل سوختی

هر پيل سوختي از سه جزء اصلي تشکيل شده‌است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشا. گاز هيدروژن که به عنوان سوخت به کار می‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش مي‌یابد. طي اين واکنش يون هيدروژن مثبت و الکترون توليد مي‌شوند. يون‌هاي هيدروژن 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                                                                                                                                          
واکنش در کاتد                                                                                                                                        
  واکنش کلی                                                                                                                                          

تصوير 1- شمای کلی از يک پيل سوختی

•  انواع پيل‌هاي سوختي

پيل‌هاي سوختي را به طور معمول، بر اساس نوع الکتروليتي که در آن به کار می‌رود، به پنج دسته طبقه‌بندي مي‌کنند:

1. پيل‌هاي سوختي قليايي
2. پیل‌های سوختی كربنات مذاب
3. پیل‌های سوختی اسيد فسفريك
4. پیل‌های سوختی اكسيد جامد
5. پیل‌های سوختی پليمري

از نگاهی دیگر، طبقه‌بندی پيل‌هاي سوختي بر اساس دمايي است که پيل سوختي در آن کار مي‌کند. بر اين اساس پيل‌هاي سوختي به دو دسته کلي پيل سوختي دما بالا و پيل سوختي دما پايين تقسيم‌بندي مي‌شوند. در جدول 1 دمايي که انواع پيل‌هاي سوختي در آن کار مي‌کنند، به همراه نوع الکتروليت و نام اختصاري آنها نشان داده شده است.

• مزايا و معایب پيل‌های سوختي

1.  مزایای پیل‌های سوختی
   - داشتن بازدهی بالا نسبت به وسايلی که از سوخت‌هاي شيميايی معمول نظير نفت و بنزين 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 فناوري پيل‌هاي سوختي در جهان
   - گران بودن؛ از آنجايي که هنوز خطوط توليد پيل‌هاي سوختي وجود ندارد، توليد انبوه آنها بسيار گران است. علاوه براين، در ساخت اين وسايل از برخي مواد گران قيمت (مانند کاتاليزورها) نيز استفاده می‌شود.

• زمينه‌هاي مختلف استفاده از پيل‌های سوختي:

از پيل‌سوختي مي‌توان در زمينه‌هاي مختلفي براي توليد انرژي استفاده کرد، که معمول‌ترین آنها عبارتند از:

1. حمل ونقل (خودروهاي سواري و وسايط نقليه عمومي): امروزه همه توليد‌کنندگان عمده خودرو بر روي توليد تجاري خودروهاي پيل سوختي سرمايه‌گذاري کرده‌اند. پيل‌هاي سوختي مي‌توانند به عنوان مولد انرژي در اتوبوس‌ها، قايق‌ها، هواپيماها و حتي دوچرخه‌ها نيز استفاده شوند (شکل 2).

تصوير 2- پيل‌های سوختی می توانند در انواع وسايل نقليه استفاده شوند. پيل سوختی می‌تواند در قسمت عقب يا جلوی وسيله نقليه قرار داده شود.

2. نيروگاه‌ها (نيروگاه‌هاي متمركز و غيرمتمركز اعم از خانگي، تجاري، صنعتي): پيل‌هاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسب‌اند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
3. وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي و ...): باتري‌ها براي بسياري از وسايل قابل حمل مانند کامپيوترهاي کيفي و تلفن‌هاي همراه نامناسب‌اند. باتري‌ها پرهزينه، سنگين و مزاحم هستند و اغلب در بدترين مواقع به شارژ نياز دارند. پيشرفت‌هاي اخير در فن‌آوري پيل سوختي ممکن است به حل اين مشکل بينجامد. چند گروه پژوهشي در حال ابداع «ريز پيلهاي سوختي» هستند که به تلفن‌هاي همراه امکان مي‌دهد در حالت آماده براي هفته‌ها کار کنند(شکل 3).

تصوير 3- پيل های سوختی می‌توانند برای شارژ کردن انواع وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي) استفاده شوند.

4. صنايع نظامي: پيل‌هاي سوختي که در دماي پايين کار مي‌کنند در تانك‌ها، زره‌پوش و خودروهاي نظامي استفاده مي‌شوند. چون در اين دسته از پيل‌هاي سوختي هيچ قطعه متحرکي وجود ندارد پس كم صدا بوده و از آنجايي که درجه حرارت پايين نيز کار مي‌کنند رديابي اين خودروها نسبت به خودروهاي با موتور درون‌سوز مشكل‌تر خواهد بود. پيل‌هاي سوختي پليمري که در دماي پايين کار مي کند، بيشتر در خودرو و وسايل قابل حمل کاربرد دارد. پيل سوختي اکسيد جامد که در دماهاي بالاتر به کار مي افتد، در نيروگاه‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد

• کاتاليزور و نقش آن در پيل سوختي

واکنش‌هايي که در پيل سوختي اتفاق مي‌افتند، از دسته واکنش‌هاي اکسايش و احيا هستند و سرعت انجام آنها آهسته مي‌باشد. بنابراين در پيل‌هاي سوختي که در دماي کم کار مي‌کنند، مانند پيل سوختي پليمري، براي بالا بردن بازده پيل سوختي بايد از کاتاليزور استفاده کرد.

برای افزايش سرعت واکنش پيل‌های سوختی، بايد در آند و کاتد از کاتاليزور استفاده کرد. انتخاب کاتاليزور مسئله مهمی است و از هر ماده‌ای نمی‌توان به عنوان کاتاليزور استفاده نمود. کاتاليزوري که واکنش‌هاي پيل سوختي را سرعت مي‌دهد فلز پلاتين است. وقتی هيدروژن به آند وارد می‌شود به کاتاليزور پلاتين می‌رسد و در تماس با آن راحت‌تر اکسيد می‌شود. در کاتد نيز گاز اکسيژن بعد از ورود، به کاتاليزور برخورد می‌کند و واکنش کاتدی نيز در حضور پلاتين تسريع می‌شود.
شايد بدانيد که فلز پلاتين بسيار گران‌قيمت مي‌باشد و همين مسئله سبب افزایش قيمت يک پيل سوختي پليمري خواهد شد. همين قيمت بالاي پيل سوختي باعث شده است که علي‌رغم تمام مزيت‌هاي پيل سوختي پليمري، هنوز محصولاتي که با اين فناوري کار مي‌کنند به صورت تجاري مورد استفاده قرار نگیرند. براي استفاده از پيل سوختي پليمري بايد قیمت آن را کاهش داد. چگونه؟

مرز سه فازی
در الکترودهای پيل سوختی پليمری از کاتاليزور پلاتين استفاده می‌شود. آرايش اجزاء در اين پيل به نحوی است که الکتروليت يا غشا بين دو الکترود قرار می‌گيرد (شکل‌های 1 و 2 را ببينيد).

شکل 1. نمايی از اجزاء پيل سوختی

شکل 2. نمايی کلی از پيل سوختی

کاتاليزور پلاتين تنها در نقاطی که در تماس با الکترود و الکتروليت باشد، می‌تواند واکنش‌های پيل سوختی را کاتاليز يا تسريع نمايد. به اين نقاط «مرز سه فازی» می‌گويند (شکل 3).

شکل 3. مرز سه فازی در پیل‌های سوختی

در گذشته الکترود پيل سوختی پليمری، از پلاتين ساخته می‌شد. اما امروزه به دو علت اين کار انجام نمی‌شود:
يک: در نتيجه‌ی ساخت اين الکترودها، مقدار زيادی پلاتين، مصرف شده و قيمت پيل سوختی پليمری بسيار گران می‌شد.
دو: تعداد مولکول‌هاي پلاتينی که می‌توانند روی سطح قرار گيرند و با الکتروليت در تماس باشند (يعنی در مرز سه فازی قرار گيرند) بسيار کمتر از کل مولکول‌های پلاتين است. اين يعنی اينکه بيشتر مولکول‌های پلاتين نمی‌توانند نقش کاتاليزوری داشته باشند و در واقع، مولکول‌هاي پلاتينی که روی سطح قرار ندارند به هدر می‌روند. به بيانی ديگر چون تعداد مولکول‌های پلاتين در مرز سه فازی کم بود، بازده پيل سوختی هم پايين بود.
بنابراين، برای حل اين مشکل بايد دو مسئله رفع می‌شد:
1) مقدار پلاتين مصرفی در ساخت پيل سوختی کاهش می يافت.
2) سطح بيشتری از مولکول‌های پلاتين در دسترس قرار می‌گرفتند.

راه حل
يک راه برای رفع مشکلات مذکور اين بود که پلاتين را بر روی ماده‌ای که سطح زيادی دارد پخش کنند. اين ماده که بستر نام گرفت علاوه بر داشتن سطح زياد، بايستی رسانا هم می‌بود. امروزه از انواع مختلف کربن به عنوان بستر پيل‌های سوختی پليمری استفاده می‌شود. علت اصلی انتخاب کربن به عنوان بستر، ويژگی‌های بی‌نظير اين ماده است که از آن جمله می‌توان به موارد زير اشاره کرد:
1. قيمت ارزان
2. هدايت الکتريکی بالا
3. مقاومت زياد در برابر خوردگی
4. پايداری خوب شيميايی

نقش بستر چيست؟
با پخش کردن پلاتين بر روی کربن، اندازه ذرات پلاتين به حدود 2 نانومتر يا کمتر میرسد. همان‌طور که می‌دانيم وقتی ذرات به ابعاد نانومتری برسند، سطح تماس‌شان به طور چشم‌گيری افزايش می‌يابد، در نتيجه با توزيع پلاتين بر روی يک بستر کربنی، می‌توان با مقدار بسيار کمتر پلاتين به سطح تماس زيادتری دست پيدا کرد. با اين کار هم مقدار استفاده از پلاتين کم می‌شود و هم سطح پلاتين بيشتری در دسترس خواهد بود. علاوه بر اين به علت واکنش‌هاي بين پلاتين و بستر، امکان دارد ساختار الکترونيکي اتم‌هاي پلاتين بهبود يابد که اين امر باعث افزايش جزئي فعاليت کاتاليزوري مي‌شود. به علاوه، اين برهمکنش‌ها، موجب مي‌گردد که ذرات پلاتين بر روي بستر گير کنند، بنابراين ذرات پلاتين ديرتر کلوخه می‌شوند. کلوخه شدن ذرات پلاتين باعث کاهش سطح تماس آنها می‌شود.

دستاوردهای فناوری‌نانو
با استفاده ار فناوری‌نانو می‌توان الکترودهايی سبک، نازک و ارزان قيمت تهيه کرد که نسبت به الکترودهای معمولی بازده بهتری دارند. در اين زمينه می‌توان از نانوفيبرهای‌کربنی، نانولوله‌های‌کربنی يا ترکيباتی که دارای حفره‌هايی با اندازه نانومتری دارند استفاده کرد (شکل 4). در اين ميان نانولوله‌های کربنی بيش از سايرين مورد توجه واقع شده‌اند.

شکل 4. توزيع پلاتين بر روی نانو فيبرهای‌کربنی.

نانولوله‌های کربنی شکل جديد از کربن هستند که می‌توانند تک‌ديواره و يا چندديواره باشند. اين مواد دارای خواص جالبی (نسبت طول به عرض بالا، مقاومت زياد در برابر خوردگی، هدايت الکتريکی خوب و ...) هستند. (برای مطالعه بيشتر به مقالات مرتبط به نانولوله‌های کربنی در سايت مراجعه کنيد.) به علت همين ويژگي‌های منحصر به فرد نانولوله‌های کربنی، امروزه آنها گزينه‌ای مناسب برای بستر پلاتين در پيل‌های سوختی پليمری به شمار می‌روند. شکل 5 نانولوله‌های کربنی را نشان داده می‌دهد که پلاتين بر روی آنها قرار گرفته است. همان‌طور که در شکل ديده می‌شود با قرار دادن پلاتين بر روی کربن، ذرات پلاتين کوچک شده‌اند.

شکل 5. توزيع پلاتين بر روی نانولوله‌های‌کربنی

به کمک نانولوله‌های‌کربنی می‌توان با استفاده از مقدار کمتری از پلاتين به سطح تماس زيادی دست پيداکرد. در اين صورت مقدار مصرف پلاتين و قيمت پيل سوختی کمتر می‌شود.

نتيجه‌گيری
با توجه به مطالبی که در اين سه مقاله گفته شد، هيدروژن می‌تواند به عنوان سوختی جايگزين در آينده در نظر گرفته شود. ابزار اين کار پيل‌های سوختی است و ازاين‌رو توسعه اين دستگاه‌ها به عنوان وسيله توليد الکتريسيته اهميت زيادی دارد. برای تجاری سازی پيل‌های سوختی بايد تلاش کرد تا قيمت آنها را پايين آورد. در اين زمينه فناوری‌نانو می‌تواند نقش مهمی داشته باشد و به توليد پيل‌های سوختی با قيمت کمتر و بازده بيشتر کمک کند. نانوفيبرهای‌کربنی، نانولوله‌های‌کربنی يا ترکيباتی که دارای حفره‌هايی با اندازه نانومتری دارند، پيشنهادهای فناوری‌نانو برای بهبود عملکرد پيل‌های سوختی هستند.

منبع :‌ http://www.nanoclub.ir