پیلهای سوختی
از ویکیپدیا، دانشنامهٔ آزاد.
پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریسیته است. این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از بازدهی بالایی برخوردار خواهد بود. در واقع میتوان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز آب استفاده میگردد. یعن از واکنش بین ئیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید میگردد. هر سلول در پیلهای سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت تشکیل شده است. مقدمه پيلهاي سوختي فنآوري جديدي براي توليد انرژي هستند كه بدون ايجاد آلودگيهاي زيست محيطي و صوتي ، از تركيب مستقيم بين سوخت و اكسيدكننده ، انرژي الكتريكي با بازدهي بالا توليد ميكنند. توليد مستقيم الكتريسيته جايگزيني براي چرخة كارنو جهت تبديل انرژي شيميايي حاصل از سوخت به انرژي گرمايي و مكانيكي و در نهايت الكتريسيته ميباشد كه اتلاف انرژي را به حداقل ممكن ميرساند و به بازدة تئوري دست پيدا ميكنيم. در پيلهاي سوختي اكسيد جامد )سراميكي( اكسيد سراميك ( ) رساناي يون در الكتروليت است و از اهميت بسزايي برخوردار است. اين پيل در دماي بين 600 تا 1000 درجه سانتيگراد كار ميكند. در حال حاضر تعداد زيادي از محققان روي جنبههاي مختلف پيل سوختي اكسيد جامد، جهت بهبود خواص پيل كار ميكنند. براي اين كار روي خواص الكترودها و الكتروليت كه مهمترين قسمتهاي پيل SOFC ميباشند را بهينه سازي ميكنند و روي عناصر و مواد تشكيل دهندة آنها مطالعه انجام ميدهند. تاريخچة پيلهاي سوختي تاريخچة اين پيلها به دو دورة متمايز تقسيم ميشود : دورة اول كه حدود صد سال طول كشيد ، از سال 1839 با ساخت اولين پيل سوختي با الكتروليت اسيد سولفوريك توسط آقاي گرو آغاز گرديد. با تلاش دانشمندان بزرگي مانند جكس، هابر، مون و همكاران و شاگردان آنها منجر به درك علمي از پيل سوختي وشناخت تنگناهاي اين فنآوري تا سال 1940 گرديد. دوره دوم از سال 1940 آغاز ميشود كه بين سالهاي 1950 تا 1960 نمونههاي تحقيقاتي متعددي از پيلهاي سوختي توسط شركتهاي بزرگي مانند جنرال الكتريك با ظرفيت02/0 وات الي 15 وات ساخته شد. اما هنوز اين ظرفيت براي كاربردهاي فني و صنعتي مورد نظر، كافي و قابل قبول نبود. تا اينكه درسال 1965 يك واحد پيل سوختي با ظرفيت يك كيلووات توسط شركت جنرال الكتريك به منظور استفاده در ماهوارة گميني5 ،ساخته شد و توجه دانشمندان را به خود جلب نمود. اين پيل سوختي با ولتاژ 25 ولت و شدت جريان خروجيA 40 آمپر توانست در طول 7 پرتاب ماهوارة گميني 5، انرژي برابر با 519 كيلووات ساعت طي بيش از 840 ساعت پرواز را تامين كند. بدين ترتيب معلوم گرديد كه پيلهاي سوختي ميتوانند براي بسياري از مقاصد هوا - فضا مناسب بوده و انرژي مورد نياز آنها را به صورت پيوسته و پايدار تامين كنند. اين امر موجب گرديد تا در سراسر جهان روي توسعة دانش فني و تكنولوژي ساخت پيلهاي سوختي سرمايهگذاريهاي بزرگي صورت گيرد. امروزه نيز تحقيقات وسيعي در جهت ارتقاء ظرفيت ، كاهش هزينههاي ساخت و بهره برداري و توسعة ويژگيهاي كاربردي پيلهاي سوختي در جريان ميباشد. برق خروجي از پيلهاي سوختي جريان مستقيم (DC) است. بنابراين براي مصرف كنندههاي جريان متناوب از مبدلهاي DC به AC استفاده ميكنند. از پيلهاي سوختي ميتوان براي تامين انرژي الكتريكي مورد نياز در مناطقي كه دور از شبكههاي سراسري انتقال و توزيع برق هستند و نيز در ايستگاههاي ماهوارهاي و مخابراتي وغيره نيز به طور رضايت بخشي استفاده نمود . انواع پيل سوختي پيلهاي سوختي براساس نوع الكتروليت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلي طبقه بندي ميشوند. 1. پيل سوختي الكتروليت پليمر يا غشاء مبادله كننده پروتون (PEFC) 2. پيل سوختي قليايي (AFC) 3. پيل سوختي اسيد فسفريك (PAFC) 4. پيل سوختي كربنات مذاب (MCFC) 5. پيل سوختي اكسيد جامد (SOFC) لازم به ذكر است كه پيل سوختي متانول مستقيم (DMFC)6 از خانوادة پيل سوختي PEFC است. پيلهاي سوختي بر اساس دماي عملكرد ، داراي دامنة دمايي از 80 براي (PEFC) تا 1000 براي (SOFC) ميباشند. پيلهاي سوختي دماي پايين (PEFC ،PAFC ،AFC) داراي حاملهاي يونيH+ ويا OH- هستند كه انتقال يون از ميان الكتروليت وانتقال الكترونها از طريق مدار خارجي را به عهده دارند ، و در پيلهاي سوختي دماي بالا مانند الكتروليت كربنات مذاب (MCFC) و الكتروليت اكسيد جامد (SOFC) ، جريان الكتريكي به ترتيب از طريق يونهايCO32- و O2- انتقال مييابد. در پيلهاي سوختي اكسيد جامد (SOFC) يا سراميكي رسانش يون در الكتروليت معمولا در دماي بين 600 تا 1000 درجه سانتيگراد انجام ميشود. مزاياي پيلهاي سوختي مزاياي پيلهاي سوختي بطوز اجمال عبارتند از: • بازدة بالا ؛ • سازگاري با محيط زيست ؛ • سادگي سيستم از نظر تعمير ونگهداري ؛ • تنوع در سوخت مصرفي ؛ • عدم آلودگي صوتي به سبب نداشتن قسمتهاي متحرك ؛ • طراحي و ساخت توانهاي كوچك (ميلي وات ) تا بزرگ (مگاوات) . معايب پيلهاي سوختي • به مواد بيشتر و فرآيندهاي سريعتري نسبت به ديگر پيلها نياز دارد. • ممكن است در مدت طولاني كار ، گرما مشكلاتي چون ناسازگاري عناصر و افت انرژي را موجب شود. • در صورت استفاده از سوخت ناخالص ، كار و گرماي بيش از حد موجب رسوب كربن و در نهايت مسموميت پيل ميگردد. مزاياي پيل سوختي اكسيد جامد نسبت به ساير پيلهاي سوختي • به علت عملكرد دمايي بالا داراي بيشترين راندمان نسبت به ساير پيلهاي سوختي ميباشد. • از گرماي توليد شده ميتوان براي افزايش بازدهي مجدد استفاده نمود. • امكان بازسازي دروني سوخت به خاطر عملكرد دمايي بالا وجود دارد. • نيازي به كاتاليستهاي گران قيمت ندارد. • براي استفاده از سوختهاي مختلف نيازي به مبدلهاي سوخت نيست. • از آنجاييكه پيل سوختي اكسيد جامد داراي الكتروليت جامد است مشكل خوردگي مواد كم ميباشد . • براي ساخت اجزاي پيل ميتوان از فنآوري لايه نازك استفاده نمود. ولي در پيلهاي سوختي با الكتروليت مايع چنين امري دست نيافتني است. بهر حال: پیل سوختی اساساً وسیله ایست که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و...) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل می کند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باطری بوده ولی بر خلاف باطری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد.
پيل هاي سوختي ميتوانند سوخت هاي حاوي هيدروژن مانند متانول( Methanol ) ، اتانول ( Ethanol) ،
گاز طبيعي ( Natural Gas ) و حتي بنزين و گازوئيل را مورد استفاده قرار دهند. بطوركلي در سوخت هاي هيدروكربوري، هيدروژن توسط يك دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بكار گرفته ميشود. پيل هاي سوختي در كاهش آلودگي محيط زيست نقش بسزائي داشته و بخاطر عدم بكارگيري قطعات مكانيكي زياد، ايجاد آلودگي صوتي نيز نمي نمايد. علاوه بر آن سيستم پيل سوختي از كارائي نسبتاً بالائي نسبت به موتورهاي احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژي در سالهاي 1973 و 1991 و آلودگي فزاينده محيط زيست، كشورهاي صنعتي را بر آن داشت تا جهت استفاده از سيستمهايي با راندمان بالا و سازگار با محيط زيست سرمايه گذاري كلاني نمايند. سيستمهاي پيل سوختي از جمله تكنولوژيهاي پيشرفته ايست كه مصارف غير نظامي آن با توانهاي ميلي وات تا مگا وات موضوع تحقيق شركتهاي توليد نيرو، خودرو سازي و نيز شركتهاي نفتي قرار گرفته است. پیل سوختی مجموعه ای از الکترولیت ، الکترودها و صفحات دو قطبی است. در پیل سوختی(بعنوان مثال نوع الکترولیت پلیمر جامد)، هیدروژن از آند و اکسیژن از کاتد وارد می شوند. هیدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می کند. الکترون نیز از طریق مدار خارجی به سوی کاتد هدایت می شود. اکسیژن با دریافت الکترون و پروتن به آب تبدیل می شود. حرکت الکترون از آند به کاتد جریان برق را به وجود می آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است . آب حاصل در کاتد میتواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد.