بخشی از مقاله
معرفی پیل سوختی - تاريخچه پیل سوختی
اگر چه پيلسوختي به تازگي به عنوان يكي از راهكارهاي توليد انرژي الكتريكي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و كار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر مي‌گردد. او اولين پيلسوختي را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.
واژه "پيلسوختي" در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعي پيلسوختي که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف مي‌کرد، ساختند. تلاش‌هاي متعددي در اوايل قرن بيستم در جهت توسعه پيلسوختي انجام شد که به دليل عدم درک علمي مسئله هيچ يک موفقيت آميز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.
فصلي ديگر از تاريخچه تحقيقات پيلسوختي توسط فرانسيس بيكن از دانشگاه كمبريج انجام شد. او در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني كاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيكل و همچنين استفاده از هيدروكسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريك به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع كه اولين پيلسوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد. او 27 سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يك پيلسوختي كامل وكارا ارائه نمايد. بيكون در سال 1959 پيلسوختي با توان 5 كيلووات را توليد نمود كه مي‌توانست نيروي محركه يك دستگاه جوشكاري را تامين نمايد.
تحقيقات جديد در اين عرصه از اوايل دهه 60 میلادی با اوج گيري فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مركز تحقيقات ناسا در پي تامين نيرو جهت پروازهاي فضايي با سرنشين بود. ناسا پس از رد گزينه‌هاي موجود نظير باتري (به علت سنگيني)، انرژي خورشيدي(به علت گران بودن) و انرژي هسته‌اي (به علت ريسك بالا) پيلسوختي را انتخاب نمود.
تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيلسوختي پليمري توسط شركت جنرال الكتريك منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود كه اولين كاربرد تجاري پيلسوختي بود.
پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپیما پيلسوختي قليايي بيكن را به منظور كاهش وزن و افزايش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضايي آپولو به كار بردند. در هر دو پروژه پيلسوختي بعنوان منبع انرژي الكتريكي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيلهاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد مي‌كرد. پس از کاربرد پيلهاي سوختي در اين پروژه‌ها، دولت‌ها و شركت‌ها به اين فنآوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي تولید انرژي پاك در آينده توجه روزافزوني نشان دادند.
از سال 1970 فنآوري پيلسوختي براي سيستم‌هاي زميني توسعه يافت. تحريم نفتي از سال1973-1979 موجب تشديد تلاش دولتمردان امريكا و محققين در توسعه اين فنآوري به جهت قطع وابستگي به واردات نفتي گشت.
در طول دهه 80 تلاش محققين بر تهيه مواد مورد نياز، انتخاب سوخت مناسب و كاهش هزينه استوار بود. همچنين اولين محصول تجاري جهت تامين نيرو محركه خودرو در سال1993 توسط شركت بلارد ارائه شد.
انواع پيلسوختي و خصوصيات هر يك در جدول زير مشخص است.
پیل سوختی قلیایی پیل سوختی
متانولی پیل سوختی
کربنات مذاب پیل سوختی
اسید فسفریک پیل سوختی
پلیمری پیل سوختی
اکسیدجامد
الکترولیت هیدروکسید پتاسیم غشاء پلیمری مایع کربنات مذاب ثابت مایع اسید فسفریک ثابت غشاء تعویض یونی سرامیک
دمای عملیاتی 90-60 130-60 650 200 80 1000
بازده 60-40% 40% 60-45% 40-35% 60-40% 65-50%
توان تولیدی تا 20 کيلووات کمتر از 10 کيلووات بيش از يک مگاوات بيش از 50 کيلووات تا 250 کيلووات بيش از 200 کيلووات
کاربرد زير دريايي و فضايي کاربردهاي قابل حمل نيروگاهي نيروگاهي وسائل نقليه، نيرو گاهي کوچک نيروگاهي
کارکرد و اهمیت پیل سوختی
شناخت كلي پيلسوختي
پيلسوختي نوعي سل الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي حاصل از واكنش را مستقيماً به انرژي الكتريكي تبديل ميکند. سازه و بدنه اصلي پيلسوختي از الكتروليت، الكترود آند و الكترود كاتد تشكيل شده است. نماي كلي يك پيلسوختي به همراه گازهاي واكنش دهنده و توليد شده و مسير حركت يونها در شكل ارائه شده است.
پيل سوختي يك دستگاه تبديل انرژي است كه به لحاظ نظري تا زماني كه ماده اكسيد كننده و سوخت در الكترودهاي آن تأمين شود قابليت توليد انرژي الكتريكي را دارد. البته در عمل استهلاك، خوردگي و بد عمل كردن اجزاي تشكيل دهنده، طول عمر پيلسوختي را كاهش مي‌دهد.
در يك پيلسوختي، سوخت به طور پيوسته به الكترود آند و اکسيژن به الكترود کاتد تزريق مي‌شود و واكنش‌هاي الكتروشيميايي در الكترودها انجام شده و با ايجاد پتانسيل الکتريکي جريان الكتريكي برقرار مي‌گردد. اگرچه پيلسوختي اجزاء و ويژگيهاي مشابه يک باطري را دارد اما از بسياري جهات با آن متفاوت است. باطري يك وسيله ذخيره انرژي است و بيشترين انرژي قابل استحصال از آن به وسيله ميزان ماده شيميايي واكنش دهنده كه در خود باطري ذخيره شده است
(عموماً در الکترودها) تعيين مي‌شود. چنانچه ماده واكنش دهنده در باطري كاملاً مصرف شود، توليد انرژي الكتريكي متوقف خواهد شد (باطري تخليه مي‌شود). در باطري هاي نسل دوم ماده واكنش دهنده با شارژ مجدد، دوباره احيا مي‌شود كه اين عمل مستلزم تأمين انرژي از يك منبع خارجي است. در اين حالت نيز انرژي الكتريكي ذخيره شده در باطري محدود و وابسته به ميزان ماده واكنش دهنده در آن خواهد بود.
گاز اکسيد کننده نظير هوا يا اکسيژن خالص در الکترود کاتد که با صفحه الکتروليت در تماس است جريان پيدا ميکند و با اكسيداسيون الكتروشيميايي سوخت كه معمولاً هيدروژن است و با احياء اكسيد كننده انرژي شيميايي گازهاي واکنش‌گر به انرژي الکتريکي تبديل مي‌شود.
از نظر تئوري، هر ماده‌اي كه به صورت شيميايي قابل اكسيد شدن باشد و بتوان آن را به صورت پيوسته (به صورت سيال) به پيلسوختي تزريق كرد، مي‌تواند به عنوان سوخت در الكترود آند پيلسوختي مورد استفاده قرار گيرد. به طور مشابه ماده اكسيد كننده سيالي است كه بتواند با نرخ مناسبي احيا شود.
گاز هيدروژن به دليل تمايل واكنش دهندگي بالا به همراه چگالي انرژي بالا به عنوان سوخت ايده‌آل در پيلسوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. هيدروژن را مي‌توان از تبديل هيدروكربن‌ها از طريق واكنش كاتاليستي، توليد و به صورتهاي گوناگون ذخيره سازي‌كرد. اكسيژن مورد نياز در پيلسوختي به طور مستقيم از هوا تهيه مي‌شود. بر روي سطح الکترودهاي آند و کاتد پيلسوختي واکنش اکسيداسيون و احياء در ناحيه سه فازي (و در صورت جامد بودن الکتروليت دو فازي) نزديک سطح مشترک واكنش دهنده‌ها، كاتاليست و الكتروليت صورت مي‌گيرد. اين ناحيه سه فازي نقش مهمي در عملكرد الكتروشيميايي پيلسوختي به ويژه پيل‌هاي‌سوختي با الكتروليت مايع دارد. در اينگونه پيل‌هاي‌سوختي، گازهاي واكنش دهنده از ميان يك لايه نازك از الكتروليت كه سطح الكترودهاي متخلخل را
پوشانده است عبور كرده و واكنش الكتروشيميايي مناسب روي سطح الكترود مربوطه انجام مي‌شود. چنانچه الكترود متخلخل حاوي مقادير بيش از حد الكتروليت باشد الكترود در اصطلاح غرق flood)) شده و به اين ترتيب انتقال واکنشگرهاي گازي محلول در الكتروليت به مکان‌هاي واكنش محدود مي‌شود. در نتيجه عملكرد الكتروشيميايي الكترود متخلخل تضعيف مي‌شود لذا ضروري است كه در ساختار الكترودهاي متخلخل يك تعادل مناسب بين الكترود، الكتروليت و فاز گازي ايجاد شود.
تلاش‌هاي اخير جهت بهبود عملكرد واکنش الكتروشيميايي، کاهش هزينه‌هاي توليد، كاهش ضخامت اجزاي پيلسوختي و در عين حال اصلاح و بهبود ساختار الكترودها و فاز الكتروليت متمرکز شده است. الكتروليت با هدايت يونها بين الكترودها سبب تكميل مدار الكتريكي پيلسوختي مي‌شود. الکتروليت يك مانع فيزيكي بين سوخت و گاز اكسيژن ايجاد مي‌كند و مانع اختلاط مستقيم آنها مي‌شود. وظيفه صفحات الكترود متخلخل در پيلسوختي شامل موارد زير است:
1ـ ايجاد يك سطح فعال و مناسب كه واكنش هاي الكتروشيميايي روي اين سطوح انجام مي‌شود.
2ـ هدايت يونهاي حاصل از واكنش به داخل يا خارج از ناحيه تبادل سه فازي و انتقال الکترون‌هاي توليدي به مدار خارجي (الكترودها بايد هدايت الكتريكي خوبي داشته باشد).
براي افزايش سطح تماس واكنش دهنده‌ها با کاتاليست لازم است كه ساختار الكترود، متخلخل بوده و ميزان سطح در دسترس و پوشش داده شده توسط كاتاليست نسبت به حجم الکترود زياد باشد. ساختار متخلخل، دسترسي راحت اجزاء واکنش دهنده به مراکز فعال را ميسر مي‌سازد.
نرخ واكنش‌هاي الکتروشيمي با افزايش دما افزايش پيدا مي‌كند، لذا خاصيت كاتاليزوري الكترودها در پيل‌هاي‌سوختي دما پايين از اهميت بيشتري در مقايسه با پيلسوختي دما بالا برخوردار است. الكترودهاي متخلخل بايد در هر دو طرف تماس با الكتروليت و گازهاي واکنش‌دهنده، نفوذ‌پذير باشند تا حدي كه توسط الكتروليت اشباع نشده و بوسيله گازهاي واکنش دهنده خشك نشوند.
مزایا و معایب
مزاياي پيل سوختي:
پيل سوختي آلودگي ناشي از سوزاندان سوختهاي فسيلي را حذف نموده و تنها محصول جانبي آن آب مي باشد.
• در صورتيكه هيدروژن مصرفي حاصل از الكتروليز آب باشد نشر گازهاي گلخانه اي به صفر مي رسد.
• بدليل وابسته نبودن به سوختهاي فسيلي متداول نظير بنزين و نفت، وابستگي اقتصادي كشورهاي ناپايدار اقتصادي را حذف مي كند.
• با نصب پيلهاي سوختي نيروگاهي كوچك، شبكه غيرمتمركز نيرو گسترده مي گردد.
• پيل هاي سوختي راندمان بالاتري نسبت به سوختهاي فسيلي متداول نظير نفت و بنزين دارد.
• هيدروژن در هر مكاني از آب و برق توليد مي گردد. لذا پتانسيل توليد سوخت، غيرمتمركز خواهد شد.
• اكثر پيلهاي سوختي در مقايسه با موتورهاي متداول بسيار بي صدا هستند.
• انتقال گرما از پيلهاي دما پايين بسيار كم مي باشد لذا آنها را براي كاربردهاي نظامي مناسب خواهد شد.
• زمان عملكرد آنها از باتريهاي متداول بسيار طولاني تر است. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفي مي توان زمان عملكرد را دو برابر نمود و نيازي به دو برابر كردن خود پيل نمي باشد.
• سوختگيري مجدد پيلهاي سوختي به راحتي امكان پذير مي باشد و هيچگونه اثرات حافظه اي بر جاي نمي گذارد.
• بعلت عدم وجود اجزاي متحرك نگهداري از آنها بسيار ساده مي باشد.
• نصب و بهره برداري از پيل هاي سوختي بسيار ساده و مقرون به صرفه مي باشد.
• پيل هاي سوختي مدولار مي باشند يعني براحتي توان توليدي از آنها قابل افزايش مي باشد.
• اين مولدها قابليت توليد همزمان برق و حرارت را دارند.
• امكان استفاده از سوختهاي تجديدپذير و سوختهاي فسيلي پاك در آنها وجود دارد.
• به ميكروتوربين ها متصل مي گردند.
• پيل سوختي به تغيير بار الكتريكي پاسخ مي دهد.
• پيل سوختي امكان توليد برق مستقيم با كيفيت بالا را دارد.
• دانسيته نيروي بالا دارد.
معايب پيل سوختي :
• سوختگيري پيل هاي سوختي مشكل اصلي پيلهاي سوختي است. توليد، انتقال، توزيع و ذخيره بعلت نبودن زيرساخت مناسب مشكل مي باشد.
• تبديل هيدروكربن به هيدروژن از طريق مبدل هنوز با چالش هايي روبروست و هنوز فن آوري كاملاً پاك نمي باشد.
• برد خودروهاي پيل سوختي كوتاهتر و زمان سوختگيري و استارت زدن طولاني تري نسبت به خودروهاي متداول دارند.
• پيل هاي سوختي از باتريهاي متداول سنگين تر هستند و محققين در پي كاهش وزن آنها
مي باشند.
• توليد پيل سوختي بدليل نداشتن خط توليد هنوز گران است.
• برخي پيلهاي سوختي از مواد گرانقيمت استفاده مي كنند.
• اين فن آوري هنوز كاملاً توسعه نيافته و محصولات كمي از آن موجود است.
پيلسوختي پليمري
پيلهاي سوختي غشاء پروتون (پليمري) اولين بار در دهه 1960 براي برنامه Gemini ناسا استفاده شد. اين نوع پيلسوختي از نقطه نظر طراحي و كاركرد يكي از جذابترين انواع پيلسوختي است. پيلسوختي پليمري داراي الكتروليت پليمري به شكل يك ورقه نازك منعطف است كه هادي يون هيدروژن(پروتون)مي‌باشد و بين دو الكترود متخلخل قرار مي‌گيرد. جهت كارايي مطلوب لازم است الکتروليت ، از آب اشباع باشد. نفيون يكي از بهترين الكتروليت‌هاي مورد استفاده در اين نوع پيلسوختي است. اين غشاء كوچك و سبك است و در دماي پايين 80 درجه سانتيگراد( تقريباً 175 درجه فارنهايت) كار مي كند. ساير الكتروليت هاي جامد در دماي بالا نزديک به 1000 درجه سانتيگراد كار مي‌كنند. در پيلسوختي پليمري واكنش احياء اكسيژن واكنش كندتر است (اين واكنش سه مرتبه كندتر از واكنش اكسيد شدن هيدروژن است). کاتاليست مورد استفاده در اين پيلسوختي اغلب از جنس پلاتين بوده و ميزان كاتاليست مصرفي در الكترودهاي اين نوع پيلسوختي بيشتر از ساير انواع پيلسوختي است.
بازده الكتريكي اين نوع پيلسوختي در حدود %50-40 درصد است. سوخت مصرفي در پيلسوختي پليمري نيازمند هيدروژن خالص است لذا مبدل در خارج پيلسوختي جهت تبديل سوختهاي متانول و يا بنزين به هيدروژن نياز است.
ميزان دانسيته تواني اين نوع پيلسوختي بيشتر از انواع ديگر پيلسوختي است. محدوده دانسيته تواني در اين نوع پيلسوختي بين( 600-350) است. طول عمر پيش‌بيني شده براي پيل‌سوختي‌پليمري بيش از 40000 ساعت است. در اين پيلسوختي CO سبب سمي‌شدن كاتاليست مي‌شود.
