مقاله بررسی انواع پیلهای سوختی با نگرش مقایسهای و کاربرد آنها در صنایع نظامی

بخشی از مقاله

بررسی انواع پیلهای سوختی با نگرش مقایسهای و کاربرد آنها در صنایع نظامی

چکیده اساس کار یک پیل سوختی برای توضیح دادن ساده بنظرمیرسد ولی ساخت آن در عمل با هزینه پایین و بازدهی بالا

واقعا پیچیده میباشد. دانشمندان و مخترعین انواع مختلفی از پیلهای سوختی را در اندازههای مختلف برای بدسـت آوردن بازدهی بیشتر و یافتن جزئیات تکنولوژیکی طراحی کردهاند. در این پژوهش سعی شد تمامی انواع پیـل هـای سوختی به طور خلاصه با یکدیگر مقایسه شده و به بررسی کاربرد نظامی آنها پرداخته شود. طبق بررسیهـای انجـام شده ونتایج موجود میتوان نتیجه گرفت که پیلهای سوختی پلیمری به علت دمای کم وسبکی و نیروی بـرق زیـاد و همچنین بازده بیشتر و قابل حمل بودن بیشترین کاربرد را در صنایع خواهد داشت.

واژههای کلیدی: پیلهای سوختی، صنایع نظامی، صفحات دوقطبی.

|

-1 مقدمه:

بسیاری از انتخابهایی که پیش روی سازندگان پیلهای سوختی وجود دارد مربوط به الکترولیت میشوند. به عنـوان مثال طراحی الکترودها و موادی که در ساخت آنها بکار میروند به نوع الکترولیت بستگی دارند. وقتی میگوییم پیـل سوختی جامد اکسیدی در واقع در مورد الکترولیت صحبت میکنیم. چون الکترولیت از سـرامیک کـه جامـد اسـت ساخته شده است. در واقع به این پیلها، پیلهای سوختی سرامیکی میگوییم. ماده سرامیکی به کار رفته به یونهای اکسیژن اجازه میدهد تا از میان آن عبور کند. همچنین در کاتد هوا دمیده میشود تا اکسیژن مورد نیاز مهیـا شـود. اکسیژن از کاتد الکترون میگیرد و به یون تبدیل میشود و در الکترولیت باقی میماند. یک ماده اصلاح کننده در پیل موجود است که سوخت آن را تبخیر میکند و یک کاتالیزور نیز سوخت بخار شده را به هیدروژن و مونواکسید کـربن (CO) تجزیه میکند. این مخلوط گازی به سمت آند هدایت میشود. جنس آند متخلخل است. بنابراین مخلـوط گـازی میتواند با الکترولیت در تماس باشد .[1] کربن منواکسید (CO) دچار اکسایش میشود (الکترون از دست میدهـد) و

با یون اکسیژن محلول در الکترولیت ترکیب میشود و دی اکسید کربن تولید میکند. همچنین هیـدروژن هـم بـا از دست دادن الکترون به پروتون تبدیل میشود. پروتون با یون اکسیژن ترکیب میشود و آب تولید میشود. سپس این مواد از طرف آند خارج میشوند. الکترونهای تولید شده در این واکنش اکسایش-کاهش باعـث بوجـود آمـدن یـک اختلاف پتانسیل در دو سر پیل میشود. این اختلاف پتانسیل 40 ولت (DC) است اما میتوان آن را به 12 ولت یا حتـی ولتاژ AC تبدیل کرد .[1-3]

پیلهای سوختی را از نظر نوع الکترولیت بکار رفته در آن به 2 نوع کلی زیر میتوان تقسیم کرد :[4]

1. پیل سوختی آلی

2. پیل سوختی فلزی

پیلهای سوختی آلی را میتوان از لحاظ دمای عملکرد و میزان بازده به موارد زیر تقسیم نمود :[4]

• پیل سوختی اسید فسفریک Phosphoric acid fuel cell (PAFC)
• پیل سوختی قلیایی alkaline fuel cell (AFC)

• پیل سوختی کربنات مذاب Molten carbonate fuel cell (MCFC)
• پیل سوختی اکسید جامد solid oxide fuel cell (SOFC)

• پیل سوختی متانولی Direct methanol fuel cell (DMFC)

• پیل سوختی سرامیکی پروتونی

• پیلسوختی پلیمری

پیلهای سوختی فلزی را میتوان به موارد زیر تقسیم نمود :[4]
• پیل سوختی روی- هوا Zinc – air fuel cell (ZAFC)

• پیل سوختی آلومینیوم – هوا Aluminum- air fuel cell (AAFC)
• پیل سوختی منیزیم – هوا Magnesium- air fuel cell (MAFC)

• پیل سوختی آهن – هوا Iron- air fuel cell (IAFC)

|

• پیل سوختی لیتیم – هوا Lithium- air fuel cell (LAFC)

• پیل سوختی کلسیم- هوا Calcium - air fuel cell (CAFC)

پیلهای سوختی پلیمری پیل های سوختی با الکترولیت پلیمری یکی از پنج نمونه پیل سوختی است که به دلیل داشتن چگالی توان بالا مـورد

توجه سازندگان خودرو قرار گرفته و جایگزین برای موتورهای احتراق داخلی محسوب می گردد .[5]

ساختمان پیلهای سوختی پلیمری

شکل :1 ساختمان پیلهای سوختی پلیمری .[5]

الکترولیت معمولا مادهای است که در حضور آب به یونهای مثبت و منفی تجزیه میشـود و بـدین ترتیـب محلـولی حاصل میشود که رسانای الکتریسیته است. اما الکترولیت بکار رفته در پیل سوختی پلیمری، غشایی از ماده آلـی بـا خاصیت تبادل یونی از جنس پلیمر اسید سولفونیک آغشته به فلوئور یا پلیمرهای مشابه میباشد .[5] در واقع در این پیلها، الکترولیت نوعی پلاستیک است که از مولکولهای پلیمر تشکیل شده است و به آن غشا مـیگوینـد. غشـای پلیمری با توجه به ویژگی الکترولیتها، الکترولیتی غیرعادی است، زیرا در حضور آب که به سرعت توسط غشا جذب میشود. یونهای منفی در ساختمان الکترولیت نگهداشته میشوند و تنها یونهای مثبت آزاد برای انتقال بـار مثبـت در طول غشا حرکت مینمایند. به همین دلیل به غشا پلیمری غشا مبادله کننده پروتون نیز میگویند. انتقال یونهای هیدروژن در طول غشا در جهت آند به کاتد اساس کار پیلهای سوختی پلیمری را تشکیل میدهد.

از آنجایی که غشا از جنس یک ماده پلیمری آلی است، پلیمر مبادله کننده پروتون قادر به هدایت الکترون نیست. این ویژگی باعث میشود غشا از لحاظ الکتریکی نارسانا باشد. به دلیل اینکه الکترونها امکان حرکـت در طـول غشـا را ندارند، برای حرکت آنها از یک سمت پیل به سمت دیگر لازم است از یک اتصال دهنده خـارجی اسـتفاده شـود کـه استفاده از این پدیده امکان ایجاد توان الکتریکی برای حرکت یک خودرو را فراهم مینماید. رسانایی یونی غشا بـالا، نفوذپذیری آن نسبت به گازها بسیار کم و در دمای عملکرد پیل دارای پایداری شیمیایی و حرارتی است. همچنـین از لحاظ مکانیکی محکم و نسبت به رطوبت حساس نمیباشد .[7] چون پیلهای سوختی پلیمری دارای دمـای عملکـرد پایین میباشند در ساختمان آنها از کاتالیزور استفاده شده است. بهترین کاتـالیزور پلاتـین ودیگـر فلـزات بـی اثـر می باشند، که به مقدار بسیار جزئی روی کربن متخلخل رسوب داده شدهاند. وجود تخلخل در الکتـرود نفـوذ واکـنش

|

دهندهها را آسان میسازد. به منظور عملکرد بهینه کاتالیزور در ساختمان بستر از پلیمر آب گریز اسـتفاده شـده است. ذرات پلاتین رسوب داده شده روی کربن بسیار ریز و دارای قطر حدود 2 نانومتر بوده و سطح موثر گسـترده ای را برای انجام واکنش گازها فراهم می سازند. حتی اگر به میزان کم ازکاتالیزور استفاده شود، سطح مـوثر کلـی ایجـاد شده توسط این ذرات ریز بسیار بزرگ است. نکته اساسی برای تولید جریان الکترون و یا جریان الکتریسـیته توسـط پیلهای سوختی وسعت پراکندگی کاتالیزور روی سطح الکترود است. کربن و پلاتین هـر دو الکتـرونهـا را بخـوبی هدایت میکنند. بنابراین الکترونهای تولید شده به سهولت الکترود را ترک میکنند.

اساس کار پیلهای سوختی پلیمری همه واکنشهای الکتروشیمیایی از دو نیمه واکنش تشکیل شده اند که در الکترودهای آند و کاتد انجام مـیشـوند. در

پیل سوختی پلیمری یون های هیدروژن تولید شده در آند از غشای رسانای یون عبور میکنند و به کاتد مـیرسـند و الکترونهای آزاد شده در آند نیز از طریق جریان خارجی به کاتد منتقل میشـوند. در کاتـد اکسـیژن بـا یـونهـای هیدروژن و الکترون ها ترکیب شده، آب و گرما تولید می شود. دو نیمه واکنش فوق، معمولا بسیار آهسـته و در دمـای پایین 80 درجه سانتیگراد انجام میشود. مکانیزم عمل پلاتین (کاتالیزور) در آند بدین ترتیب است که محـلهـایی را

فراهم میآورد که باعث سهولت تفکیک گاز هیدروژن به یون H می شوند. محلهای ایجاد شده توسـط پلاتـین در

کاتد به مقدار قابل توجهی اتصال H2 و 1/2 O2 را سرعت میبخشند. نیمه واکنشهای الکترودی در بسیاری از محلهای
تولید شده توسط پلاتین به طور همزمان انجام میشود .[9-12]

مزیتهای پیلهای سوختی پلیمری

• چون دمای عملکرد پیل های سوختی پلیمری پایین است و الکترولیت آن مایع نیست، امکان انتقال یا متبلـور شدن کاتالیزور در پیل وجود ندارد و نسبت به خوردگی در برابر گازها مقاوم است.
• طول عمر پیل بیشتر از 5×105 ساعت است.

• چگالی جریان خروجی آن از تمامی پیل های شناخته شده بیشتر است. از این رو برای خودروها و سیستمهـای الکترونیکی با اندازه کوچک بیشترین کاربرد را دارد.

• حدود %50 از حداکثر توان آن سریعا در دمای اتاق قابل دسترسی است و بعد از سه دقیقه کار تمامی تـوان آن تحت شرایط عادی حاصل میشود.
• گرمای حاصل از پیل برای گرم کردن اتاق و یا آب بکار میرود .[13]

معایب پیلهای سوختی پلیمری
• نسبت به حضور منوکسیدکربن در سوخت بسیار حساس بوده و مستلزم ساخت کاتالیزوری است که نسبت بـه ناخالصیهای سوخت مقاوم باشد.

• تنظیم آب و گرمای پیل امری دقیق و حساس است.

• قیمت آن به دلیل وجود کاتالیزور و غشای پلیمری زیاد است.

کاربردهای پیلهای سوختی پلیمری • پیل سوختی کاربردهای متنوعی دارد. از این پیل به منظور تولید برق در نیروگاههـا، خودروهـا، وسـایل قابـل

حمل و غیره استفاده می شود. ظرفیت آن محدود نیست. چون چگالی جریان خروجی آن بالا است، به راحتی

|

شروع به کار می کند و میایستد و تحمل افت و خیزهایی از بیشترین توان تا کمترین توان را دارد، از ایـن رو برای کشتیها، زیردریاییها و خودروها منبع انرژی بسیار خوب ومناسبی است .[12-16]

2-2 پیلهای سوختی قلیایی پیلهای سوختی قلیایی از قدیمی ترین نوع پیلها می باشند که برای سفینه های فضایی، طراحـی شـده انـد و چـون

محدودیتی از لحاظ قیمت وجود نداشته و از طرفی سعی بر این بوده که به صورت سـاده، فشـرده و کوچـک طراحـی شوند، از این رو فلزاتی چون پلاتین، طلا و نقره به صورت خالص در الکترود آنها بکار رفته است. اما در صورتی که نیاز به ایجاد شرایط ویژه در این نوع پیل ها نباشد، میتوان از طیف وسیعی از کاتالیزورها در الکترود آنهـا اسـتفاده کـرد .[16]

ساختمان پیلهای سوختی قلیایی الکترولیت بکار رفته در این نوع پیل ها هیدروکسیدپتاسیم یا هیدروکسیدسدیم با درصد وزنی حدود 65 مـی باشـد

.[4] با این درصد وزنی، دمای عملکرد پیل حدود 250 درجه خواهد بود. در صورت یکـه از هیدروکسـید پتاسـیم بـا درصد وزنی کمتر استفاده شود 35) تا %50 وزنی) دمای عملکرد پیل به کمتر از 120 درجه می رسـد. در صـورتی کـه عوامل آزاد کننده هیدروژن مانند هیدریدهای فلزی (NaBH4 , KBH4 , LiAlH4 , NaH , KH) به الکترولیت اضافه شود،

هیدروژن آزاد شده توسط این عوامل درآند آلیاژی ذخیره شده و جهت سوخت مصرف میگردد .[5] مکانیسم عمل به این ترتیب است که هیدروژن ذخیره شده با عمل اکسایشا یهیدروژن زدائی مجدداً در آنـد آزاد مـی گـردد، کـه در نتیجه واکنش های الکتروشیمیایی با سرعت بیشتری نسبت به قبل انجام می شـوند و چگـالی انـرژی خروجـی پیـل افزایش مییابد. در پیلهای سوختی قلیایی ابتدایی از سیستم چرخش الکترولیت استفاده میشد .[17-23]

شکل :2 ساختمان پیلهای سوختی قلیایی .[17]

در این سیستم الکترولیت در مخزن بیرون از پیل نگهداری می شد و در هنگام عمل به داخل پیل پمپ میشد. چنـین سیستمی این امکان را به وجود می آورد که الکترولیت در خارج از پیل سرد شده و آب آن بخار شـود. همچنـین آن میزان از الکترولیت که تغییر شکل داده از سیستم خارج و الکترولیت جدید جایگزین آن شود. از آنجـایی کـه پیـل سوختی قلیایی مورد نیاز در سفینه های فضایی باید هرچه سادهتر میبود، به جای سیسـتم چرخشـی الکترولیـت از ماتریس حامل آن استفاده میشد. هم اکنون ناسا و آژانس فضایی اروپا از سیستم ماتریس دار پیـل سـوختی قلیـایی استفاده میکنند. دمای عملکرد پیل های سوختی قلیایی در سفینه های فضایی حدود 250 درجه وبازدهی آنها حـدود

|

%60 است. در پیل های سوختی قلیایی کنونی اغلب از ماتریس نگهدارنده الکترولیت که از جـنس آزبسـت اسـت، استفاده میشود و معمولاً الکترولیت به روش آغشتهسازی روی آن رسوب داده شده است .[18] در پیلهای سـوختی قلیایی، ماتریس از جنس ازبست با درجه خلوص بالا می باشد که با رزین هایی بعنوان مثال از جنس اسـترهای اسـید متاکریلیک مخلوط میشود. معمولاً صفحه های آزبست به دو روش قالب گیری و اکستروژن سـاخته مـی شـوند. روش قالبگیری فرآیندی پرهزینه است. هرچند در روش اکستروژن هزینـه سـاخت تنهـا %5 هزینـه روش قالـب گیـری می باشد، لیکن مقاومت لایه آزبست ساخته شده توسط این روش کم است .[17] برحسب کاربرد پیـل هـای سـوختی قلیایی در الکترودها از طیف گستردهای از فلزات، اکسید فلزات، آلیاژ فلزات و پروسکیتها استفاده میشود .[20]

اساس کار پیلهای سوختی قلیایی در آند، سوخت با یون های هیدروکسیل ترکیب شـده، آب والکتـرون تولیـد مـی کنـد. در کاتـد اکسـیژن بـا آب و

الکترونهای منتقل شده از آند ترکیب شده و یون های هیدروکسیل تولید می نماید. کـه بعـد از عبـور از الکترولیـت مجدداً در آند با هیدروژن ترکیب میشوند.

در کاتدهای دارای کربن فعال امکان احیای اکسیژن در کاتد وجود دارد که تولید یون پروکسیل HO2 مینماید. بعـد

از تجزیه یونهای پروکسیل در سطح کاتد، اکسیژن برای واکنش های بعدی تهیه میشود. نکته دیگر اینکـه در کاتـد، یونهای هیدروکسیل بعد از عبور از الکترولیت درآند با هیدروژن ترکیب می شوند و آب تولید مـی شـود. آب تولیـد شده در آند دو برابر آب مصرفی در کاتد است و باید به طور مداوم تخلیه شود .[24]