پاسخ : چند سوال از شیمی اول
احتمالا منظورتون سلول سوختی بوده که توی کتاب فیزیک 1 هم اشاره ای بهش شده.
سلول سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی است. یک سلول سوختی، هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در این فرآیند الکتریسیته تولید می کند. مواد شیمیایی ، به طور پیوسته در داخل سلول سوختی جریان دارند، بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی به سلول برقرار بوده و الکتریسیته به بیرون آن جریان داشته باشد، سلول سوختی تمام نمی شود. مواد اولیه بیشتر سلولهای سوختی که امروزه استفاده می شوند هیدروژن و اکسیژن هستند. سلول سوختی یک ولتاژ DC(direct current) فراهم می کند، که برای برق رسانی به موتورها ، چراغها یا هر تعداد وسیله برقی قابل استفاده و کافی است.انواع مختلفی از سلول سوختی موجود است، که هرکدام از یک فرآیند شیمیایی متفاوت استفاده می کنند. سلولهای سوختی معمولاً بر حسب نوع الکترولیتی که در آنها استفاده می شود، دسته بندی می شوند. بعضی از سلولهای سوختی برای استفاده در نیروگاههای برقی هستند. بقیه، ممکن است برای کاربردهای سبک یا برق دهی ماشینها مناسب باشند. سلول سوختی تبادل پروتونی (PEMFC) یکی از رایجترین تکنولوژی ها در این زمینه است. این سلول سوختی می تواند به طور کامل برق ماشینها ، اتوبوسها و شاید خانه هایتان را تأمین نماید. PEMFC از یکی از ساده ترین واکنشهای سلول سوختی استفاده می کند. که شامل قسمتهای زیر است:· آند، قطب منفی یک سلول سوختی، که چندین وظیفه دارد. الکترونهای کنده شده از مولکول هیدروژن را برای استفاده در یک مدار خارجی هدایت می کند. با مجراهای موجود در آن گاز هیدروژن آزاد شده را بر روی سطح کاتالیزگر پخش می کند. · کاتد ، قطب مثبت یک سلول سوختی که مجراهای موجود در آن اکسیژن را روی سطح کاتالیزگر پخش می کنند. همچنین الکترونها را از مدار خارجی به سمت کاتالیزگر هدایت می کند که در آنجا با اکسیژن و یونهای هیدروژن ترکیب شده و آب تشکیل می شود. · الکترولیت ، که غشا و پل تبادل پروتون است. این ماده با رفتاری خاص، که شبیه به یک صافی پلاستیکی معمولی موجود در آشپزخانه است، فقط یونهای در حال حرکت را از خود عبور می دهد. این غشا راه الکترونها را می بندد. · کاتالیزگر یک ماده مخصوص است که واکنش هیدروژن و اکسیژن را آسان می کند. که معمولاً از گرد پلاتین با ورقه ای بسیار نازک از کربن روی ان ساخته می شود. کاتالیزگر درشت و متخلخل (پرمنفذ) است تا بیشترین سطح ممکن در مجاورت هیدروژن یا اکسیژن قرار گیرد. قسمت پوشیده از پلاتین کاتالیزگر طرف PEM قرار می گیرد.
فرآیند شیمیایی یک سلول سوختی قطب آند:2H2 à 4H+ + 4e-قطب کاتد:O2 + 4H+ 4e- à2H2Oواکنش کلی:2H2 + O2 à2H2O این واکنش در یک سلول سوختی فقط حدود 0.7 ولت تولید می کند. برای بالا بردن این ولتاژ تا یک حد منطقی، سلولهای سوختی جدا از هم زیادی باید با هم ترکیب شوند تا یک بسته سلول سوختی را تشکیل دهند.PEMFC ها در دمای نسبتاً کمی کار می کنند(تقریباً در 176˚F معادل 80˚C ) بدین معنی که آنها سریع گرم می شوند اما سازه نگه دارنده گران قیمتی نیاز ندارند. ارتقا و پیشرفت پیوسته در مهندسی و موادی که در این سلولها به کار می رود چگالی برقی را تا حدی بالا برده است که یک وسیله با اندازهای معادل یک چمدان کوچک می تواند برق یک ماشین را تأمین کند.
مشکلات سلول سوختی:از آنجا که اکسیژن مورد نیاز سلول سوختی از هوا تأمین می شود ، در سلولهای سوختی PEM ، هوای عادی به کاتد پمپ می شود. به هر حال هیدروژن نیز خیلی آماده و در دسترس نیست. هیدروژن یک سری محدودیت هایی داردکه آن را بیشتر برای مصارف ، غیر کاربردی می کند. مثلاً شما لوله کشی هیدروژن در خانه تان ندارید، و شما در پمپ بنزین محلی تان به پمپ هیدروژن دسترسی ندارید.ذخیره و حمل هیدروژن دشوار است، بنابراین درست تر آن است که سلولهای سوختی، سوختهایی آماده و در دسترس را به کار برند. این مشکل توسط وسیله ای به نام مبدل برطرف شده است. مبدل یک سوخت هیدروکربنی یا الکلی را به هیدروژن، که سوخت سلول سوختی است، تبدیل می کند.متأسفانه مبدلها کامل و بی نقص نیستند. آنها حرارت تولید می کنند و علاوه بر هیدروژن گازهای دیگری نیز تولید می کنند. آنها از وسیله های مختلف برای خالص سازی هیدروژن استفاده می کنند ، ولی با این وجود هیدروژنی که بیرون می دهند خالص نیست و این امر، بازده سلول سوختی را کاهش می دهد.برخی از سوختهایی که بیشتر مورد توجه اند: گاز طبیعی، پروپان و متانول هستند. در حال حاضر بسیاری از مردم ، لوله کشی گاز طبیعی یا مخزن پروپان در خانه شان دارند. بنابراین محتمل ترین سوختها برای استفاده در سلولهای سوختی خانگی اینها هستند. متانول سوختی مایع با خواصی مشابه بنزین است. مانند آن براحتی قابل حمل و توزیع است، بنابراین متانول ممکن است گزینه خوبی برای تأمین سوخت ماشینی با سلول سوختی باشد. اهداف سلول سوختی:کاهش آلودگی یکی از اهداف اصلی سلول سوختی است. با مقایسه ماشینی با سلول سوختی و ماشینی بنزینی و ماشینی با باتری، می توان دید که امروزه سلول سوختی چگونه می تواند بازده ماشینها را افزایش دهد.اگر سلول سوختی با هیدروژن خالص سوخت دهی شود پتانسیل بازده 80 درصد را نیز دارد. یعنی 80 درصد گنجایش انرژی هیدروژن را به انرژی الکتریکی بازگرداند. در حضور متانول و هیدروژن بازده کلی 30 تا 40 درصد می شود.
منبع: tebyan.net
احتمالا منظورتون سلول سوختی بوده که توی کتاب فیزیک 1 هم اشاره ای بهش شده.
سلول سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی است. یک سلول سوختی، هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در این فرآیند الکتریسیته تولید می کند. مواد شیمیایی ، به طور پیوسته در داخل سلول سوختی جریان دارند، بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی به سلول برقرار بوده و الکتریسیته به بیرون آن جریان داشته باشد، سلول سوختی تمام نمی شود. مواد اولیه بیشتر سلولهای سوختی که امروزه استفاده می شوند هیدروژن و اکسیژن هستند. سلول سوختی یک ولتاژ DC(direct current) فراهم می کند، که برای برق رسانی به موتورها ، چراغها یا هر تعداد وسیله برقی قابل استفاده و کافی است.انواع مختلفی از سلول سوختی موجود است، که هرکدام از یک فرآیند شیمیایی متفاوت استفاده می کنند. سلولهای سوختی معمولاً بر حسب نوع الکترولیتی که در آنها استفاده می شود، دسته بندی می شوند. بعضی از سلولهای سوختی برای استفاده در نیروگاههای برقی هستند. بقیه، ممکن است برای کاربردهای سبک یا برق دهی ماشینها مناسب باشند. سلول سوختی تبادل پروتونی (PEMFC) یکی از رایجترین تکنولوژی ها در این زمینه است. این سلول سوختی می تواند به طور کامل برق ماشینها ، اتوبوسها و شاید خانه هایتان را تأمین نماید. PEMFC از یکی از ساده ترین واکنشهای سلول سوختی استفاده می کند. که شامل قسمتهای زیر است:· آند، قطب منفی یک سلول سوختی، که چندین وظیفه دارد. الکترونهای کنده شده از مولکول هیدروژن را برای استفاده در یک مدار خارجی هدایت می کند. با مجراهای موجود در آن گاز هیدروژن آزاد شده را بر روی سطح کاتالیزگر پخش می کند. · کاتد ، قطب مثبت یک سلول سوختی که مجراهای موجود در آن اکسیژن را روی سطح کاتالیزگر پخش می کنند. همچنین الکترونها را از مدار خارجی به سمت کاتالیزگر هدایت می کند که در آنجا با اکسیژن و یونهای هیدروژن ترکیب شده و آب تشکیل می شود. · الکترولیت ، که غشا و پل تبادل پروتون است. این ماده با رفتاری خاص، که شبیه به یک صافی پلاستیکی معمولی موجود در آشپزخانه است، فقط یونهای در حال حرکت را از خود عبور می دهد. این غشا راه الکترونها را می بندد. · کاتالیزگر یک ماده مخصوص است که واکنش هیدروژن و اکسیژن را آسان می کند. که معمولاً از گرد پلاتین با ورقه ای بسیار نازک از کربن روی ان ساخته می شود. کاتالیزگر درشت و متخلخل (پرمنفذ) است تا بیشترین سطح ممکن در مجاورت هیدروژن یا اکسیژن قرار گیرد. قسمت پوشیده از پلاتین کاتالیزگر طرف PEM قرار می گیرد.
فرآیند شیمیایی یک سلول سوختی قطب آند:2H2 à 4H+ + 4e-قطب کاتد:O2 + 4H+ 4e- à2H2Oواکنش کلی:2H2 + O2 à2H2O این واکنش در یک سلول سوختی فقط حدود 0.7 ولت تولید می کند. برای بالا بردن این ولتاژ تا یک حد منطقی، سلولهای سوختی جدا از هم زیادی باید با هم ترکیب شوند تا یک بسته سلول سوختی را تشکیل دهند.PEMFC ها در دمای نسبتاً کمی کار می کنند(تقریباً در 176˚F معادل 80˚C ) بدین معنی که آنها سریع گرم می شوند اما سازه نگه دارنده گران قیمتی نیاز ندارند. ارتقا و پیشرفت پیوسته در مهندسی و موادی که در این سلولها به کار می رود چگالی برقی را تا حدی بالا برده است که یک وسیله با اندازهای معادل یک چمدان کوچک می تواند برق یک ماشین را تأمین کند.
مشکلات سلول سوختی:از آنجا که اکسیژن مورد نیاز سلول سوختی از هوا تأمین می شود ، در سلولهای سوختی PEM ، هوای عادی به کاتد پمپ می شود. به هر حال هیدروژن نیز خیلی آماده و در دسترس نیست. هیدروژن یک سری محدودیت هایی داردکه آن را بیشتر برای مصارف ، غیر کاربردی می کند. مثلاً شما لوله کشی هیدروژن در خانه تان ندارید، و شما در پمپ بنزین محلی تان به پمپ هیدروژن دسترسی ندارید.ذخیره و حمل هیدروژن دشوار است، بنابراین درست تر آن است که سلولهای سوختی، سوختهایی آماده و در دسترس را به کار برند. این مشکل توسط وسیله ای به نام مبدل برطرف شده است. مبدل یک سوخت هیدروکربنی یا الکلی را به هیدروژن، که سوخت سلول سوختی است، تبدیل می کند.متأسفانه مبدلها کامل و بی نقص نیستند. آنها حرارت تولید می کنند و علاوه بر هیدروژن گازهای دیگری نیز تولید می کنند. آنها از وسیله های مختلف برای خالص سازی هیدروژن استفاده می کنند ، ولی با این وجود هیدروژنی که بیرون می دهند خالص نیست و این امر، بازده سلول سوختی را کاهش می دهد.برخی از سوختهایی که بیشتر مورد توجه اند: گاز طبیعی، پروپان و متانول هستند. در حال حاضر بسیاری از مردم ، لوله کشی گاز طبیعی یا مخزن پروپان در خانه شان دارند. بنابراین محتمل ترین سوختها برای استفاده در سلولهای سوختی خانگی اینها هستند. متانول سوختی مایع با خواصی مشابه بنزین است. مانند آن براحتی قابل حمل و توزیع است، بنابراین متانول ممکن است گزینه خوبی برای تأمین سوخت ماشینی با سلول سوختی باشد. اهداف سلول سوختی:کاهش آلودگی یکی از اهداف اصلی سلول سوختی است. با مقایسه ماشینی با سلول سوختی و ماشینی بنزینی و ماشینی با باتری، می توان دید که امروزه سلول سوختی چگونه می تواند بازده ماشینها را افزایش دهد.اگر سلول سوختی با هیدروژن خالص سوخت دهی شود پتانسیل بازده 80 درصد را نیز دارد. یعنی 80 درصد گنجایش انرژی هیدروژن را به انرژی الکتریکی بازگرداند. در حضور متانول و هیدروژن بازده کلی 30 تا 40 درصد می شود.
منبع: tebyan.net
