بخشی از مقاله
چکیده
سیاستگذاریهای جهانی در زمینه مدیریت انرژی نشان میدهد پیلهای سوختی نقش مهمی در فرآیند به کارگیری انرژیهای جایگزین سوختهای فسیلی خواهند داشت. در کشور ما نیز این حرکت دنبال خواهد شد و البته تاکنون تلاشهای ارزندهای نیز در این راستا صورت پذیرفته است. لیکن در مرحله اول، مسأله ورود به بازار با توجه به لزوم سرمایههای هنگفت اولیه و مقاومتهای اجتماعی مشکلی است که در راه صنعتی شدن این فنآوری وجود دارد. در این نوشتار راهکاری برای تسهیل در عبور از این مرحله پیشنهاد شده است که با اقتضای صنعت برق کشور همخوانی دارد. سرانجام با برآورد هزینه تهیه آن، معیاری برای تحلیل اقتصادی آن ارائه شده است.
مقدمه
پیلهای سوختی از حدود دو دهه پیش به عنوان حاملهای انرژی جدید در مراکز تحقیقاتی جهان مورد توجه قرار گرفتهاند و هماکنون سرمایهگذاریهای هنگفتی از سوی دولتها برای رشد و صنعتی کردن آن صورت میگیرد. در کنار کاربردهای سیار، پیلهای سوختی نیروگاهی نیز به شدت در حال توسعه هستند. از این میان پیل سوختی غشای تبادل پروتون از مزایای متعددی برخوردار است و به همین دلیل جایگاه متمایزی نسبت به سایر انواع دارد.
البته این نوع پیل که از سوخت هیدروژنی برای کارکرد استفاده مینماید با مسائلی مانند تولید، نگهداری و انتقال هیدروژن و هزینه نسبتاً بالای سرمایهگذاری دست به گریبان است. در این میان نکات امیدبخش شایسته توجهی نیز وجود دارد. یکی از آنها تولید آسان سوخت هیدروژن به وسیله انرژی الکتریکی است. این موضوع سبب میشود پیل سوختی را بتوان به عنوان یک حامل انرژی در نظر گرفت که با ذخیره انرژی در موقع در دسترس بودن مولد برق و پس دادن آن در موقع نیاز، به بهبود مشخصه تولید برق کمک نماید.
به علاوه از این ویژگی میتوان برای همپوشانی نیازها و خصوصیات پیلهای سوختی هیدروژنی با منابع تجدیدپذیر استفاده نمود؛ طوری که در صورت کارکرد این دو در کنار هم مشکلات کاربردی آنها برطرف شده این مجموعه، به عنوان منبع انرژی قابل اتکایی درخواهد آمد. در نوشتار حاضر ابتدا پیل سوختی غشای تبادل پروتون به عنوان کاربردیترین پیل سوختی معرفی میشود.
سپس به طور خلاصه به برنامه کشورهای مختلف در اقتصادی کردن آن اشارهای میشود. در ادامه بحثی در ارتباط با فن - آوریهای کلیدی مرتبط با تولید و بهرهبرداری از آن به عمل میآید. به این ترتیب زمینه برای ارائه راهکاری عملی در به کارگیری این فنآوری برای تقویت صنعت برق ایران فراهم می شود. این بحث با انجام یک برآورد اقتصادی تکمیل میشود.
معرفی پیل سوختی
پیل سوختی به بیان ساده منبع تغذیهای شبیه باطری است که در آن مواد اولیه به طور مرتب جریان دارند. پیل سوختی انواع مختلفی دارد: غشای تبادل پروتون یا PEM، اکسید جامد یا SOFC ، آلکالین، اسید فسفریک، کربنات مذاب و .... در این میان نوع غشای تبادل پروتون مهمترین و مورد توجهترین پیل سوختی است و نوع اکسید جامد در مرتبه دوم توجه قرار دارد. لفظ PEM اختصار عبارت Proton Exchange Membrane یا Polymer Electrolyte Membrane است. آنچه در این پیل سوختی اتفاق میافتد در واقع واکنش غیر مستقیم هیدروژن به عنوان سوخت با هوا یا اکسیژن به عنوان اکسید کننده است؛ طوری که به جای تولید حرارت قابل توجه، جریان الکتریکی مستقیم به دست آید.
ساختار و اجزای پیل:
- کانال هوا، کانال سوخت.
- بدنه کانال موسوم به صفحات دوقطبی که نقش هدایت جریان برق را از آند به خروجی پیل بر عهده دارد و همزمان نگهدارنده مجموعه داخلی پیل نیز هست و لذا ملاحظات مقاومت مکانیکی و انعطاف پذیری در انتخاب آن مؤثر است.
- بین کانالها ِ لایه مختلف است: ٌو ٍ: لایه انتشار گاز - GDL - که به نام »الکترود« هم معروف است. سمت هوا و سمت سوخت هر دو از این لایه دارند. َ و ُ: لایههای بسیار باریک کاتالیست که برای تسریع واکنش هم سمت هوا هم سمت سوختلازم است و معمولاً پلاتین است. ِ: غشایی از جنس پلیمر که دارای خاصیت آب دوستی و انتخابگری در انتقال استبدین. معنا که انتقال پروتون داشته ولی در برابر عبور گازها مقاومت میکند و ضمناً مقاومت الکتریکی به حد کافی بالایی دارد تا از نشت و هدر رفتن برق جلوگیری شود.
مکانیزم کار
هیدروژن - سوخت - از کانال سوخت به داخل نفوذ می کند. اکسیژن هم پس از عبور از GDL به کاتالیست سمت هوا می رسد. حال برای انتقال پروتون به سمت اکسیژن، غشا به صورت یک پل عمل میکند. الکترونهایی که از شکستن هیدروژن به وجود میآید نیز از طریق مدار الکتریکی منتقل میشود. این همان انرژی الکتریکی تولیدی پیل است.
به مجموعه غشا، کاتالیست و لایه انتشار گاز مجموعه غشای الکترولیت - MEA - گفته می شود. به مجموعه MEA و الکترودها - کانال ها - ، پشته گفته میشود. کارکرد پیل سوختی وابسته به تأمین مناسب مواد اولیه، دفع آب و حرارت تولیدی، شرایط دما، فشار و مشخصات لایههای MEA است. یک سیستم پیل سوختی برای فراهم آوردن این شرایط و لوازم اجزای مختلفی دارد:
پشته، مخزن سوخت، ربفرمر برای تبدیل سوخت تغذیه به هیدروژن، سیستم سوخت رسانی، سیستم خنک کاری، سیستم رطوبت زنی و سیستم کنترل. مزایای عمومی پیل سوختی بازده انرژی بالا، آلایندگی تولید برق صفر، عدم وجود قطعات متحرک در هسته اصلی پیل، مدولار بودن، تعمیر و نگهداری ساده، امکان تحویل توان های کوچک - میلی وات - تا بزرگ - مگاوات - ، قابلیت تولید همزمان حرارت و الکتریسیته، ضریب بار انعطاف پذیر، بازده مستقل از مقیاس و ارتباط تنگاتنگ با انرژیهای نو در جهت حل دوطرفه برخی مشکلات یکدیگر، هستند.
این سیستم معایب و مشکلاتی نیز دارد که از آن بین میتوان به نبود یا کمبودهای زیرساختها، سرمایه اولیه بالا، مشکلات تولید، انتقال و ذخیر سازی هیدروژن اشاره کرد. در مقایسه پیلهای نوع SOFC، پیلهای PEM هرچند بازده کمتری دارند ولی راه اندازی سریع، سروصدای کم، انعطاف پذیری در بارهای مختلف، عملکرد گذرای خوب و دمای کاری پایین قیمت پایینتر و حجم کوچکتر آنها را در بسیاری کاربردهای نیروگاهی مناسب مینماید.
