آشنایی با فناوری پیل سوختی

مقدمه:   ازسال 1880 اندازه گیری دمای کره زمین آغاز شده است. گفته میشود با توجه به گزارشات گرم شدن کره زمین در سال 2100 باعث خشکسالی شدید،گرمای سوزان و طوفان های وحشتناکی خواهد شد. برخی دانشمندان معتقدند دهه پایانی قرن بیستم گرمترین سال 400 سال گذشته است. به نظر میرسد فعالیت های صنعتی در بروز این مشکل موثر بوده است.

هیئت بین دولتی تغیرات آب و هوایی ipcc) ) و آکادمی ملی علوم ایاالت متحده آمریکا معتقدند فعالیت های بشر و تولید گاز های گلخانه ای علت اصلی پدیده گرمایش جهانی است . اما برخی دانشمندان معتقدند که فعالیت های آتشفشانی ، طوفان های خورشیدی و آتش سوزی جنگلها علت اصلی گرم شدن کره زمین است و تاثیر کربن دی اکسید و دیگر گازهای گلخانه ای در مقایسه با این فعالیت ها بسیار ناچیز است.
اثر گلخانه ای:  زمین مقداری از انرژی خورشید را جذب و مابقی آن را منعکس میکند. در طی این فرآیند طول موج نور تغییر میکند. بعضی از گاز های موجود در جو این تابش ها را جذب میکنند که سبب افزایش جنبش مولکولی در آنها میشود این گاز ها همانند پتو دور تا دور زمین را فرا میگیرند و دمای نواحی مختلف کره زمین را بالا میبرند. طبق آخرین گزارشات چین با تولید سالانه 10357 میلیون تن کربن دی اکسید بزرگترین آلوده کننده جهان است و پس از آن آمریکا با 5414 میلیون تن، هند با 2374 میلیون تن ، روسیه با 1617 میلیون تن ، ژاپن با 1237 میلیون تن ، آلمان با 798 میلیون تن و ایران با 648 میلیون تن از بزرگترین کشور های تولید کننده گاز های گلخانه ای هستند
پیل سوختی
پیل سوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژي شیمیایی سوخت را مستقیما به ا نرژي الکتریکی تبدیل میکند. در آند پیل سوختی واکنش اکسیداسیون انجام میگردد و الکترون تولید شده وارد مدار خارجی شده و سپس به کاتد وارد میشود. یون مثبت تولیدي در آند با عبور از غشاء (الکترولیت) به قسمت کاتد رفته و در حضور کاتالیزور با اکسیژن هوا و الکترونی که از مدار خارجی به قسمت کاتد وارد شده است، به آب تبدیل میگردد. فناوري پیل سوختی که در آن هیدروژن طی واکنش شیمیایی با اکسیژن به الکتریسیته و حرارت تبدیل میشود، به سبب مزایایی نظیر راندمان بالا، دامنه گسترده تولید، سازگاري با محیط زیست و عدم آلودگی صوتی یکی از بهترین گزینه هاي تولید انرژي الکتریکی در آینده محسوب میگردد. با توجه به پیچیدگی و بین رشته اي بودن این فناوري و کاربردهاي گسترده نظامی و غیر نظامی آن و همچنین تاثیرات مختلف آن بر اقتصاد انرژي، محیط زیست، حمل و نقل و صنایع بزرگ و اساسی کشور، توسعه این فناوري نگاهی آینده نگر ایجاب میکند.

نحوه عملکرد پیل سوختی
هیدروژن (سوخت) به ‌آند و اکسیژن (اکسیدان) به کاتد تزریق می‌شود. هر اتم هیدروژن، یک پروتون و یک الکترون دارد که با از دست دادن الکترون در آند به پروتون (H+) تبدیل می‌شود و به این ترتیب، قابلیت عبور از الکترولیت را پیدا می‌کند. الکترون‌ها نمی‌توانند از الکترولیت عبور کنند و از طریق اتصال خارجی به کاتد می‌رسند. در کاتد، الکترون‌های اکسیژن جذب شده روی کاتد و پروتون‌ها تشکیل آب می‌دهند که از سیستم خارج می‌شود. سیستم پیل سوختی، با قرار دادن موتور الکتریکی در مسیر جریان الکتریکی کامل می‌شود. اساس کار انواع پیل‌های سوختی مشابه یکدیگر است. در پیل‌های سوختی با عملکرد در دمای پایین، بین دو واکنش‌دهنده حایلی قرار گرفته که از سه فاز تشکیل شده و عبارتند از: الکترولیت و دو پوشش کاتالیزور روی الکترودها. طبیعت و نوع حایل، نقش اساسی در عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی دارد بویژه پیل‌های سوختی که الکترولیت آنها مایع است. در این‌گونه پیل‌ها، گازهای واکنش‌دهنده از لایه نازک الکترولیت (که مرطوب‌کننده خلل و فرج الکترود است) نفوذ می‌کنند و واکنش الکتروشیمیایی، روی سطح الکترود مربوطه انجام می‌شود. الکترولیت علاوه بر اینکه رسانای یون‌ها بین الکترودهاست، مانعی فیزیکی برای جلوگیری از انحراف جریان سوخت و اکسیدان از مسیر اصلی به شمار می‌آید.

موارد استفاده از پیل سوختی در حمل و نقل
1 .سوخت انواع مختلف ماشینها (اتوبوس، خودروهاي شخصی، ماشینهاي آتش نشانی، لیفتراك، دوچرخه و موتورسیکلت)
در حمل ونقل زمینی
2 .سوخت کشتی هاي تفریحی و تجاري کوچک و زیر دریایی ها در حمل و نقل دریایی
3 .سوخت انواع هواپیماهاي بدون سرنشین و انرژي پشتیبان در انواع هواپیماها در حمل و نقل هوایی
4 .سوخت لوکومتیوها در حمل ونقل ریلی
5.منبع تغذیه قابل حمل انواع تجهیزات جانبی
6 .سیستمهاي تهویه داخلی اتوبوس ها و هواپیماها

معرفی انواع پیل های سوختی
پیل های سوختی با توجه به درجه حرارت، بازده، کاربردها و هزینه ها متفاوت می باشند. که بر اساس انتخاب سوخت و الکترولیت به 6 گروه عمده تقسیم می شوند.
پیل سوختی قلیایی AFC
با استفاده از هیدروکسید پتاسیم KOH به عنوان الکترولیت آبی (نوع اول پیل سوختی در آغاز قرن بیستم به خدمت عملی قرار داده شد . AFC  ، طبقه ای از پیل های سوختی با دمای عملیاتی پایین با کاتالیزور کم هزینه است. رایج ترین کاتالیزور برای سرعت بخشیدن به واکنش های الکتروشیمیایی در کاتد و آند در این نوع پیل سوختی نیکل است. بازده الکتریکی AFCS حدود 60 درصد است و بازده CHP بیش از 80 درصد است .آنها می توانند برق را تا بالای 20 کیلو وات تولید کنند . ناسا برای اولین بار از AFCS برای تامین آب آشامیدنی و نیروی الکتریکی در ماموریت های شاتل برای کاربردهای فضایی استفاده کرد. در حال حاضر، از آنها در زیردریایی، قایق، لودر و برنامه های کاربردی حمل و نقل استفاده میشود AFCS. به عنوان مقرون به صرفه ترین نوع کارآمد پیل های سوختی در نظر گرفته شده است. محصول جانبی آب تولید شده توسط AFC ، آب آشامیدنی است که در فضاپیما و ناوگان شاتل فضایی بسیار مفید است[5-4 .[AFCتولید برق را از هیدروژن ممکن ساخته است. در سال 1950، برنامه فضایی ناسا آپولو با استفاده از سیستم های AFC آغاز شده و این تکنولوژی هنوز هم برای ماموریت های شاتل امروزه مورد استفاده قرارگرفته. بسیاری از گروه های تحقیقاتی بر روی AFCS برای دیگر برنامه های کاربردی شروع به کار کردند با وجود موفقیت اولیه آن، علاقه به تکنولوژی AFC با توجه به عوامل اقتصادی، مشکلات مادی و کاستی خاصی در بهره برداری از دستگاه های الکتروشیمیایی کاهش یافته است.

پیل سوختی اسید فسفریک PAFC
 PAFC اولین نسل از پیل های سوختی مدرن است . در PAFC، اسید فسفریک به عنوان یک الکترولیت به پروتون اجازه عبور از آند به کاتد را میدهد.   H3PO4  ( 3.09درصد هیدروژن، 06/31 درصد فسفر،3 /65 درصد اکسیژن ) یک مایع بی رنگ ، استفاده شده در کود، مواد پاک کننده، طعم دهنده مواد غذایی و دارویی است، هدایت یونی اسید فسفریک در دماهای پایین کم می باشد. بنابراین PAFC درطیف وسیعی از درجه حرارت بین 220 -150 درجه سانتی گراد، بازده سیکل ترکیبی حدود 85 درصد و بازده حدود 40 -50 درصد درکنار تولید کارمی کند. این بهره وری به 80 درصد با استفاده از حرارت تولید شده برای تولید همزمان بهبود یافته است حامل بار در این نوع پیل سوختی یون هیدروژن و یا پروتون 〖 H〗^+است. در حال حاضر، سیستم های PAFC در مرحله تجاری با ظرفیت بالاتر از 200 کیلو وات تست شده است که از آنها معمولا  در برنامه های کاربردی ثابت استفاده می شود .یکی از مزایای PAFC، جدا از بازده بالا، تحمل مونوکسید کربن CO تجمع یافته در داخل سلول می باشد. آنها در دمای 200درجه سانتی گراد غلظت CO در حدود 1/5 درصد را تحمل می کنند PAFCsکیفیت بالای DC  را با قدرت چگالی بالا فراهم میکند. ضعف اصلی این نوع پیل های سوختی استفاده از یک الکترولیت اسیدی که خوردگی یا اکسیداسیون، قطعات را در معرض اسید فسفریک افزایش میدهد.

پیل های سوختی اکسید جامدSOFC
 یکی از موارد استفاده از فن آوری پیل سوختی را می توان به استفاده از فن آوری پیل سوختی اکسید جامد برای تولید نیرو اشاره کرد. پیل های سوختی اکسید جامد با راندمان بسیار بالا برای تولید انرژی الکتریکی از گاز طبیعی در نظر گرفته شده اند. تجزیه و تحلیل نشان می دهد که حداکثر بهره وری از ترکیب سیستم SOFC بسته به شرایط عملیاتی و پیکربندی می تواند تا 90درصد باشد  . [تکنولوژی پیل سوختی اکسید جامد از کارآمد ترین و محیط زیست دوستانه ترین فن آوری های موجود برای تولید برق از هیدروژن، گاز طبیعی، و دیگر سوخت های تجدید پذیر است. سیستم پیل سوختی اکسید جامد در مقیاس کوچک برای نظامی، مسکونی، صنعتی، و برنامه های کاربردی حمل و نقل توسعه یافته است.،  پیل سوختی اکسید جامد ، پیل های سوختی دمای بالا با الکترولیت سرامیکی اکسید فلزی جامد می باشد. پیل های سوختی اکسیدجامد به طور کلی با استفاده ترکیبی از هیدروژن و مونوکسید کربن توسط اصلاح داخلی سوخت هیدروکربنی و هوا به عنوان اکسیدان در پیل سوختی تشکیل شده اند.

ریشه های فنی از پیل سوختی در سال 1930 با آزمایشات دو دانشمند سوئیسی با زیرکونیوم و سایر عناصر به عنوان الکترولیت آغاز شد. در سال 1950 ، GEو شرکت های دیگر آزمایش هایی با استفاده از SOFC آغاز کردند اما به دلیل ذوب مواد سلولی، مدار کوتاه و ... . شکست خورد با توجه به توسعه سریع ساختار صنعتی و اجتماعی، برنامه های متنوع از SOFC در زمینه های مختلف بررسی شده است. سه برنامه اصلی از SOFCمانند نیروگاه سیکل ترکیبی، تولید همزمان/ تولید سه گانه و کاربرد مسکونی وجود دارد. با توجه به درجه حرارت بالا، SOFCبرای نرم افزار های قابل حمل و نقل مناسب نیست. اما در حال حاضر محققان در حال تحقیق در زمینه ای به منظور کاهش درجه حرارت SOFC ، که برای نرم افزار قابل حمل مناسب است میباشند. هیدروژن و مونوکسید کربن به عنوان سوخت برای SOFC استفاده می شود.

پیل سوختی کربنات مذاب
 پیل های سوختی کربنات مذاب ، پیل های سوختی در دمای بالا هستند. آنها با استفاده از مخلوط نمک کربنات مذاب به عنوان الکترولیت معلق در یک بستر سرامیکی متخلخل، الکترولیت جامد آلومینا بتا که از لحاظ شیمیایی خنثی می باشند. MCFCدر حال حاضر برای گاز طبیعی و نیروگاه زغال سنگی در صنایع الکتریکی، کاربردهای صنعتی و نظامی استفاده میشود .مزایا و معایب MCFCsمربوط به درجه حرارت بالای آن ها می باشد MCFC. ممکن است به طور مستقیم با هیدروژن، مونوکسید کربن، گاز طبیعی و پروپان بسوزد. آنها به کاتالیزور فلز نجیب برای اکسیداسیون الکتروشیمیایی و کاهش نیاز ندارند. آنها همچنین به توسعه زیرساخت برای نصب نیاز ندارند، با این حال، مدت زمان طولانی برای رسیدن به درجه حرارت عملیات و تولید برق مورد نیاز است به دلیل درجه حرارت بالای عملیات و حضور خورنده کربنات قلیایی مذاب به راحتی تخریب اجزا رخ می دهد .افزایش عمر سلول یکی از مهم ترین اهداف برای کاربرد واقعی MCFCمی باشد. نکته کلیدی در توسعه مواد الکترودی برای بهبود MCFCدر ثبات شیمیایی و فیزیکوشیمیایی آنها است.

پیل سوختی غشا تبادل پروتون
 پیل های سوختی غشاء تبادل پروتون ،دستگاه های الکتروشیمیایی هستند که انرژی شیمیایی را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند، جایگزین هایی امیدوار کننده برای باتری های قابل شارژ می باشند. یک نوع از این PEMFC، یک پیل سوختی متانول مستقیم است. [14[در میان انواع مختلف پیل سوختی، پیل سوختی غشاء تبادل پروتون با توجه به راندمان باالی تبدیل انرژی و تراکم قدرت، راه اندازی سریع، و سطح انتشار پایین به عنوان یکی از امیدوار کننده ترین منابع انرژی پاک از قرن بیست و یکم برای حمل و نقل و برنامه های کار بردی درنظرگرفته شده است .[16-15[ PEMFCsپیل های سوختی دمای پایین با درجه حرارت بین 60 تا 100 درجه سانتی گراد می باشند. آنها سیستم های فشرده سبک وزن با راه اندازی سریع می باشند. آب بندی الکترودها در PEMFCs راحت تر از انواع دیگر پیل های سوختی به دلیل استحکام الکترولیت است. عالوه بر این، طول عمر آنها طوالنی تر و تولید آنها ارزان تر است.

پیل سوختی متانول مستقیم
پیل سوختی متانول مستقیم از نوع PEMFCs است. این یک منبع مناسب از انرژی، برای تولید انرژی های قابل حمل با توجه به عملکرد در دمای کم، عمر طوالنی و ویژگی های سریع سیستم سوخت گیری است. عالوه بر این، نیازی نیست که آنها شارژ شوند و به عنوان منبع انرژی تجدید پذیر پاک می باشند. منبع انرژی سیستم DMFC متانول است.

موتور های احتراق پیل سوختی هیدروژن
 مطالعات به عمل آمده حاکی از آن است که در مدت زمان کوتاهی سوخت هیدروژنی بتواند در بسیاری از زمینه ها به عنوان جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی مورد توجه قرار گیرد .در اتومبیلهایی که انرژی مورد نیاز آنها ا ز سوخت هیدروژنی تامین می شود، انرژی آزاد شده از ترکیب هیدروژن واکسیژن برای تولید انرژی الکتریکی به کار رود. اگرچه استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت می تواند مزایای بسیار زیادی به همراه داشته باشد، اما یکی ازمهمترین ویژگیهای انرژی هیدروژنی، پایین بودن سطح آالیندگی این سوخت است .چراکه تنها محصول این واکنش ، بخار آب است.[22 [عالوه بر این، سوخ ت هیدروژنی قابل بازیافت و استفاده مجدد است و می تواند به عنوان منبع پایان ناپذیری از انرژی مورد استفاده قرار گیرد. یکی ازمهمترین معایب استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت، پیچیدگیهای بسیاری است که در تهیه هیدروژن خالص وجود دارد. به عالوه انجام این فرآیند مستلزم صرف هزینه بسیار زیادی است. برای جایگزینی هیدروژن به جای سوختهای فسیلی باید تغییرات گسترد ه ای در سیستم موتور خودروهای بنزینی ایجاد شود .سرعت متوسط جدیدترین خودروهای هیدروژنی که تحت عنوان خودروهای پاک از آنها یاد می شود، حدود 160 کیلومتر در ساعت است. بر اساس این که دراین اتومبیلها از هیدروژن مایع یا هیدروژن تحت فشار به عنوان سوخت استفاده شود، بیشینه سرعت حرکت آنها در محدوده های بین 270 تا 400کیلومتر در ساعت قرار می گیرد .در پیلهای سوختی هیدروژنی، انرژی آزاد شده در نتیجه واکنش شیمیایی میان مولکولهای هیدروژن و اکسیژن برای تولید انرژی الکتریکی ا ستفاده میشود.[23 [موتور اتومبیل انرژی الکتریکی رابه انرژی مکانیکی تبدیل میکند .انرژی یک پیل خورشیدی زیر یک ولت است . این مقدار انرژی به قدری ناچیزاست که می تواند انرژی الزم برای روشن شدن یک المپ را تامین کند. به همین علت از دهها یا صدها پیل سوختی استفاده می شود تا بتوان مقدارا نرژی خروجی از سیستم را افزایش داد . در یک پیل سوختی هیدروژنی، مولکو لهای هیدروژن در آند و مولکو لهای اکسیژن در کاتدتجمع پیدا می کنند. ماد ای که تحت عنوان کاتالیزور از آن استفاده میشود،ا لکترو نهای هیدروژن را ا ز هسته آن جدا می کند .پس ا ز آن هسته مولکول هیدروژن بدون الکترو نها از الیه ای که حاوی سلو لهای الکترولیت است، عبور میکنند. اما الکترو نهایی که نمیتو انند از میان سلو لهای الکترولیت عبور کنند در یک مدار جریان پیدا می کنند تا اینکه به کاتد برسند و انرژی الکتریکی تولید کنند. محصول این واکنش آب و گرماست و تا زمانی که نیاز به مصرف سوخت باشد این واکنش ادامه دارد.