پيل سوختي

پيل سوختي اساساً وسيله ايست که سوخت (مانند هيدروژن، متانول، گاز طبيعي، بنزين و...) و اکسيدان (مانند هوا و اکسيژن) را به برق، آب و حرارت تبديل مي‌کند. به عبارت ديگر پيل سوختي شبيه يک باطري بوده ولي بر خلاف باطري نياز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زماني که سوخت و هواي مورد نياز پيل تأمين شود، سيستم کار خواهد کرد. پيل هاي سوختي ميتوانند سوخت‌هاي حاوي هيدروژن مانند متانول( Methanol ) ، اتانول ( Ethanol) ، گاز طبيعي ( Natural Gas ) و حتي بنزين و گازوئيل را مورد استفاده قرار دهند. بطورکلي در سوخت‌هاي هيدروکربوري، هيدروژن توسط يک دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بکار گرفته مي‌شود. پيل هاي سوختي در کاهش آلودگي محيط زيست نقش بسزائي داشته و بخاطر عدم بکارگيري قطعات مکانيکي زياد، ايجاد آلودگي صوتي نيز نمي‌نمايد. علاوه بر آن سيستم پيل سوختي از کارائي نسبتاً بالائي نسبت به موتورهاي احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژي در سالهاي 1973 و 1991 و آلودگي فزاينده محيط زيست، کشورهاي صنعتي را بر آن داشت تا جهت استفاده از سيستم‌هايي با راندمان بالا و سازگار با محيط زيست سرمايه گذاري کلاني نمايند. سيستم‌هاي پيل سوختي از جمله تکنولوژيهاي پيشرفته ايست که مصارف غير نظامي آن با توانهاي ميلي وات تا مگا وات موضوع تحقيق شرکتهاي توليد نيرو، خودرو سازي و نيز شرکتهاي نفتي قرار گرفته‌است. پيل سوختي مجموعه‌اي از الکتروليت ، الکترودها و صفحات دو قطبي است. در پيل سوختي(به‌عنوان مثال نوع الکتروليت پليمر جامد)، هيدروژن از آند و اکسيژن از کاتد وارد مي‌شوند. هيدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طريق الکتروليت به سمت کاتد حرکت مي‌کند. الکترون نيز از طريق مدار خارجي به سوي کاتد هدايت مي‌شود. اکسيژن با دريافت الکترون و پروتون به آب تبديل مي‌شود. حرکت الکترون از آند به کاتد جريان برق را به وجود مي‌آورد که قابل استفاده در وسايل برقي است .آب حاصل در کاتد ميتواند مورد استفاده مجدد قرار گيرد.

تاريخچه پيل سوختي

اگر چه پيل‌سوختي به تازگي به عنوان يکي از راهکارهاي توليد انرژي الکتريکي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگليسي سرويليام گرو بر مي‌گردد. او اولين پيل‌سوختي را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکتروليز آب، طي واکنش معکوس و در حضور کاتاليست پلاتين ساخت.
واژه "پيل‌سوختي" در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به کار 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 پيل سوختي با کشف سوخت‌هاي فسيلي ارزان و رواج موتورهاي بخار کمرنگ گرديد.
فصلي ديگر از تاريخچه تحقيقات پيل‌سوختي توسط فرانسيس بيکن از دانشگاه کمبريج انجام شد. او در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني کاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيکل و همچنين استفاده از هيدروکسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريک به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع که اولين پيل‌سوختي قليايي بود، “BaconCell” ناميده شد. او 27 سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يک پيل‌سوختي کامل وکارا ارائه نمايد. بيکون در سال 1959 پيل‌سوختي با توان 5 کيلووات را توليد نمود که مي‌توانست نيروي محرکه يک دستگاه جوشکاري را تامين نمايد.
تحقيقات جديد در اين عرصه از اوايل دهه 60 ميلادي با اوج گيري فعاليت‌هاي مربوط به تسخير فضا توسط انسان آغاز شد. مرکز 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 ريسک بالا) پيل‌سوختي را انتخاب نمود.
تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيل‌سوختي پليمري توسط شرکت جنرال الکتريک منجر شد. ايالات متحده فن‌آوري پيل سوختي را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود که اولين کاربرد تجاري پيل‌سوختي بود.
پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپيما پيل‌سوختي قليايي بيکن را به منظور کاهش وزن و افزايش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضايي آپولو به کار بردند. در هر دو پروژه پيل‌سوختي بعنوان منبع انرژي الکتريکي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيل هاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد مي‌کرد. پس از کاربرد پيل هاي سوختي در اين پروژه‌ها، دولت‌ها و شرکت‌ها به اين فن‌آوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي توليد انرژي پاک 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 امريکا 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 کاهش هزينه استوار بود. همچنين اولين محصول تجاري جهت تامين نيرو محرکه خودرو در سال1993 توسط شرکت بلارد ارائه شد.
در کل تاريخچه اين پيل‎ها به دو دوره متمايز تقسيم مي‎شود : دوره اول که حدود صد سال طول کشيد ، از سال 1839 با ساخت اولين پيل سوختي با الکتروليت اسيد سولفوريک توسط آقاي گرو آغاز گرديد. با تلاش دانشمندان بزرگي مانند جکس، هابر، مون و همکاران و شاگردان آنها منجر به درک علمي از پيل سوختي و شنا‎‎‎‎‎‎خت تنگناهاي اين فن‎آوري تا سال 1940 گرديد.
دوره دوم از سال 1940 آغاز مي‎شود که بين سالهاي 1950 تا 1960 نمونه‎هاي تحقيقاتي متعددي از پيل‎هاي سوختي توسط شرکت‎هاي بزرگي مانند جنرال الکتريک با ظرفيت02/0 وات الي 15 وات ساخته شد. اما هنوز اين ظرفيت براي کاربردهاي فني و صنعتي مورد نظر، کافي و قابل قبول نبود. تا اينکه درسال 1965 يک واحد پيل سوختي با ظرفيت يک کيلو‎‎‎وات توسط شرکت جنرال الکتريک به منظور استفاده در ماهواره 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 کيلووات ساعت طي بيش از 840 ساعت پرواز را تامين کند. بدين ترتيب معلوم گرديد که پيل‎هاي سوختي مي‎توانند براي بسياري از مقاصد هوا - فضا مناسب بوده و انرژي مورد نياز آنها را به صورت پيوسته و پايدار تامين کنند. اين امر موجب گرديد تا در سراسر جهان روي توسعة دانش فني و تکنولوژي ساخت پيل‎هاي سوختي سرمايه‎‎گذاري‎هاي بزرگي صورت گيرد. امروزه نيز تحقيقات وسيعي در جهت ارتقاء ظرفيت ، کاهش هزينه‎هاي ساخت و بهره ‎‎بر‎داري و توسعة ويژگي‎هاي کاربردي پيل‎هاي سوختي در جريان مي‎باشد. برق خروجي از پيل‎هاي سوختي جريان مستقيم (DC) است. بنابراين براي مصرف ‎‎کننده‎هاي جريان متناوب از مبدل‎هاي DC به AC استفاده مي‎کنند. از پيل‎هاي سوختي مي‎توان براي تامين انرژي الکتريکي مورد نياز در مناطقي که دور از شبکه‎هاي سراسري انتقال و توزيع برق هستند و نيز در ايستگاه‎هاي ماهواره‎اي و مخابراتي وغيره نيز به طور رضايت‌بخشي استفاده نمود .

تعريف

پيل‎‎‎‎‎‎‎‎‎هاي سوختي فن‎آوري جديدي براي توليد انرژي هستند که بدون ايجاد آلودگي‎هاي زيست محيطي و صوتي ، از ترکيب مستقيم بين سوخت و اکسيدکننده ، انرژي الکتريکي با بازدهي بالا توليد مي‎‎‎‎کنند. توليد مستقيم الکتريسيته جايگزيني براي چرخه کارنو جهت تبديل انرژي شيميايي حاصل از سوخت به انرژي گرمايي و مکانيکي و در نهايت الکتريسيته مي‎‎باشد که اتلاف انرژي را به حداقل ممکن مي‎رساند و به بازدة تئوري دست پيدا مي‎کنيم. در پيل‎هاي سوختي اکسيد جامد)سراميکي(اکسيد سراميک () رساناي يون در الکتروليت است و از اهميت بسزايي برخوردار است. اين پيل در دماي بين 600 تا 1000 درجه سانتيگراد کار مي‎کند و با بازده در حدود 60 درصد، توان الکتريکي معادل 100 مگاوات دارد. در حال حاضر تعداد زيادي از محققان روي جنبه‎هاي مختلف پيل سوختي اکسيد جامد، جهت بهبود خواص پيل کار مي‎کنند. براي اين کار روي خواص الکترودها و الکتروليت که مهم‌ترين قسمت‎هاي پيل SOFC مي‎باشند را بهينه سازي مي‎کنند و روي عناصر و مواد تشکيل دهنده آنها مطالعه انجام مي‎دهند.
پيل سوختي يک مبدل انرژي شيميايي به انرژي الکتريسيته‌است. اين تبديل مستقيم بوده و بنابراين از بازدهي بالايي برخوردار است. در واقع مي‌توان گفت که در اين تبديل از عمل عکس الکتروليز آب استفاده مي‌گردد. يعن از واکنش بين ئيدروژن و اکسيژن، آب، حرارت و الکتريسيته توليد مي‌گردد. هر سلول در پيل هاي سوختي از سه جزء آنُد، کاتُد و الکتروليت تشکيل شده‌است.

پيل سوختي، فناورى سازگار با محيط زيست

يک دانشمند انگليسى به نام «ويليام رابرت گرو» در سال 1839(قرن 19)، با ترکيب اکسيژن، هيدروژن و آب توانست جريان الکتريسيته توليد کند. فرآيند يادشده در توليد جريان الکتريسيته بر عکس فرآيند الکتروليز است که در آن براى شکستن آب به اجزاى سازنده آن، از جريان الکتريسيته استفاده مى شود. پيل هاى سوختي، دستگاه هاى الکتروشيميايى هستند که براى تبديل يک سوخت به انرژى به کار مى روند. پيل سوختى را نمى توان در زمره باترى ها يا بخشى از نيرو متحرکه هاى (موتورهاي) درون سوز به شمار آورد، اما براى درک بهتر مفهوم آنها استفاده ترکيبى از دو فناورى ياد شده مناسب تر است، زيرا جريان الکتريسيته محصول پيل سوخت ها است. انرژى اصلى يک پيل سوختى را هيدروژن تشکيل مى دهد، اما واکنش ميان اتم اکسيژن و اتم هيدروژن در هنگام تشکيل آب، فرآيند اصلى توليد انرژى پيل سوختى به شمار مى رود. براى سرعت بخشيدن به روند انجام واکنش ياد شده و توليد جريان برق از کاتاليزور استفاده مى شود. بهترين کاتاليزور اين واکنش «پلاتين» است. شکل ظاهرى همه پيل سوختى ها به هم شبيه است . دو الکترود مثبت(آند) و منفي(کاتد) اجزاى سازنده آن را تشکيل مى دهد که به دور يک الکتروليت(جامد يا مايع) پيچيده شده اند. يک مدار خارجى دو الکترود را به هم اتصال داده و الکترون هاى اطراف مدار را به جريان الکتريسيته تبديل مى کند. درحقيقت واکنش شيميايى ميان عناصر اکسيژن و هيدروژن در پيل سوختى سبب توليد انرژى پاک مى شود. تنها محصول جانبى حاصل از اين فرآيند، آب است. در پيل هاى سوختى مختلف از سوخت هاى مختلف استفاده مى شود و الکتروليت هاى متفاوتى در آنها به کار مى رود. مزيت ها و عيب هاى پيل سوختى ها پيل سوختى در عصر ما سوختى ارزان، تجديد پذير و فاقد آلايندگى به شمار مى روند، اما در کنار مزيت هاى فراوان خود، عيب هايى نيز دارند. مثلاً براى تأمين انرژى مورد نياز يک ماشين گران قيمت بايد در فکر تهيه يک پيل سوختى قوى بود و براى راه اندازى يک موتور استاندارد خودرو، ساخت پيل سوختى 50 کيلوواتى اجتناب ناپذير است. مسئله بعدي، قيمت آنها است. زمانى که اولين بار در آمريکا و در دهه 1960 از پيل سوختى براى تأمين برق فضاپيماها استفاده شد؛ قيمت هر کيلو وات آن 500 هزار دلار بود. اما در حال حاضر تا هر کيلووات 500 دلار کاهش قيمت داشته است. با وجود اين هنوز هم به کارگيرى يک موتور پيل سوختى حدود 25 هزار دلار هزينه در پى دارد که 10 برابر قيمت يک موتور درون سوز است. گستره کاربرد پيل سوختى کاربرد وسيع پيل سوختى ها را در نيروگاه هاى توليد انرژى هاى جانشين و موتورهاى جديد خودروها چندين دهه شاهد هستيم. امروز شرکت هاى ماشين سازى فراوانى در جهان، هزينه هاى هنگفت خود را صرف توسعه پيل سوختى ها مى کنند. شرکت «فورد» و شرکت «بالارد پاور سيستمز» که يک شرکت کانادايى و از پيشگامان استفاده از فناورى پيل سوختى است، حدود 750 ميليون دلار در اجراى يک پروژه مشترک توسعه تجارى وسايل نقليه سرمايه گذارى کرده اند و برنامه بعدى آنها سرمايه گذارى 2/1 ميليارد دلارى در زمينه ساخت خودروهايى با کاربرى پيل سوختى ها است. شرکت هاى تويوتا و جنرال موتور نيز درصدد رقابت در اين زمينه هستند. اما شايد اعمال استانداردهاى سخت نسبت به موتورهاى درون سوز، علت اصلى اين همه رقابت و تلاش براى به کارگيرى فناورى پيل سوختى باشد. به گفته محققان، فناورى پيل سوختى در دهه گذشته از يک صنعت کوچک به يک صنعت بزرگ و رو به رشد تبديل شده است. از دلايل اين رشد ناگهاني، استفاده گسترده صنعت خودروسازى در ساخت موتورهاى هيبريد(دوگانه سوخت) است. شرکت هاى ماشين سازى ميزان فروش خود را در گرو قيمت سوخت خودروها مى دانند و از اين رو رويکرد آنها به سرمايه گذارى در اين بخش، بيش از گذشته است. کاربرد پيل سوختى ها امروز منحصر به يک صنعت خاص نيست. از جمله کاربرد هاى جديد آنها در يک دستگاه پيل سوختى کوچک و قابل حمل است که براى تأمين انرژى تلفن هاى همراه و کامپيوترهاى کيفى به کار مى رود. يک نمونه از اين نوع پيل سوختى ها را شرکت «نى پاور سيستمز» طراحى کرده است. اين پيل سوختى جديد که قابل تعبيه در کيس کامپيوترها است، مى تواند دو يا سه برابر باترى هاى ديگر برق توليد کند. کاربرد ديگر پيل سوختى در صفحات خورشيدى هيبريدى است. بازده انرژى در اين گونه صفحات افزايش يافته و آلايندگى آنها به صفر رسيده است.

انواع پيل سوختي

پيلهاي سوختي در انواع زير موجود مي‎باشند: پيل‎هاي سوختي براساس نوع الکتروليت استفاده شده در آن‎ها به پنج نوع اصلي طبقه بندي مي‎شوند.
• پيل سوختي الکتروليت پليمر يا غشاء مبادله کننده پروتون (PEFC)
• پيل سوختي قليايي (AFC)
• پيل سوختي اسيد فسفريک (PAFC)
• پيل سوختي کربنات مذاب (MCFC)
• پيل سوختي اکسيد جامد (SOFC)
لازم به ذکر است که پيل سوختي متانول مستقيم (DMFC)6 از خانوادة پيل سوختي PEFC است. پيل‎هاي سوختي بر اساس دماي عملکرد ، 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 که انتقال يون از ميان الکتروليت وانتقال الکترون‎ها از طريق مدار خارجي را به عهده دارند ، و در پيل‎هاي سوختي دماي بالا مانند الکتروليت کربنات مذاب (MCFC) و الکتروليت اکسيد جامد (SOFC) ، جريان الکتريکي به ترتيب از طريق يون‎هايCO32- و O2- انتقال مي‎يابد. در پيل‎هاي سوختي اکسيد جامد (SOFC) يا سراميکي رسانش ‎يون در الکتروليت معمولاً در دماي بين 600 تا 1000 درجه سانتيگراد انجام مي‎شود.

مزايا

مزاياي پيل‎هاي سوختي بطور کلي عبارت‌اند از:
• بازده بالا
• سازگاري با محيط زيست
• سادگي سيستم از نظر تعمير ونگهداري
• تنوع در سوخت مصرفي
• عدم آلودگي صوتي به سبب نداشتن قسمت‌هاي متحرک
• طراحي و ساخت توان‎هاي کوچک (ميلي وات ) تا بزرگ (مگاوات)
• امكان استفاده از سوختهاي فسيلي و پاك، مدولار بودن
• قابليت توليد هم‌زمان حرارت و الكتريسيته و استفاده در كاربردهاي توليد غيرمتمركز انرژي

معايب

• به مواد بيشتر و فرآيندهاي سريعتري نسبت به ديگر پيل‎ها نياز دارد.
• ممکن است در مدت طولاني کار ، گرما مشکلاتي چون ناسازگاري عناصر و افت انرژي را موجب شود.
• در صورت استفاده از سوخت ناخالص ، کار و گرماي بيش از حد موجب رسوب کربن و در ‎‎‎‎نهايت مسموميت پيل مي‎گردد.

مزاياي پيل سوختي اکسيد جامد

• به علت عملکرد دمايي بالا داراي بيشترين راندمان نسبت به ساير پيل‎هاي سوختي مي‎باشد.
• از گرماي توليد شده مي‎توان براي افزايش بازدهي مجدد استفاده نمود.
• امکان بازسازي دروني سوخت به خاطر عملکرد دمايي بالا وجود دارد.
• نيازي به کاتاليستهاي گران قيمت ندارد.
• براي استفاده از سوختهاي مختلف نيازي به مبدل‎هاي سوخت نيست.
• از آنجاييکه پيل سوختي اکسيد جامد داراي الکتروليت جامد است مشکل خوردگي مواد کم مي‎باشد .
• براي ساخت اجزاي پيل مي‎توان از فن‎آوري لايه نازک استفاده نمود. ولي در پيل‎هاي سوختي با الکتروليت مايع چنين امري دست نيافتني است.
پيل سوختي اساساً وسيله ايست که سوخت (مانند هيدروژن، متانول، گاز طبيعي، بنزين و...) و اکسيدان (مانند هوا و اکسيژن) را به برق، آب و حرارت تبديل مي‌کند. به عبارت ديگر پيل سوختي شبيه يک باطري بوده ولي بر خلاف باطري نياز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زماني که سوخت و هواي مورد نياز پيل تأمين شود، سيستم کار خواهد کرد. پيل هاي سوختي ميتوانند سوخت‌هاي حاوي هيدروژن مانند متانول( Methanol ) ، اتانول ( Ethanol) ، گاز طبيعي ( Natural Gas ) و حتي بنزين و گازوئيل را مورد استفاده قرار دهند. بطورکلي در سوخت‌هاي هيدروکربوري، هيدروژن توسط يک دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بکار گرفته مي‌شود. پيل هاي سوختي در کاهش آلودگي محيط زيست نقش بسزائي داشته و بخاطر عدم بکارگيري قطعات مکانيکي زياد، ايجاد آلودگي صوتي نيز نمي‌نمايد. علاوه بر آن سيستم پيل سوختي از کارائي نسبتاً بالائي نسبت به موتورهاي احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژي در سالهاي 1973 و 1991 و آلودگي فزاينده محيط زيست، کشورهاي صنعتي را بر آن داشت تا جهت استفاده از سيستم‌هايي با راندمان بالا و سازگار با محيط زيست سرمايه گذاري کلاني نمايند. سيستم‌هاي پيل سوختي از جمله تکنولوژيهاي پيشرفته ايست که مصارف غير نظامي آن با توانهاي ميلي وات تا مگا وات موضوع تحقيق شرکتهاي توليد نيرو، خودرو سازي و نيز شرکتهاي نفتي قرار گرفته‌است. پيل سوختي مجموعه‌اي از الکتروليت ، الکترودها و صفحات دو قطبي است. در پيل سوختي(به‌عنوان مثال نوع الکتروليت پليمر جامد)، هيدروژن از آند و اکسيژن از کاتد وارد مي‌شوند. هيدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طريق الکتروليت به سمت کاتد حرکت مي‌کند. الکترون نيز از طريق مدار خارجي به سوي کاتد هدايت مي‌شود. اکسيژن با دريافت الکترون و پروتون به آب تبديل مي‌شود. حرکت الکترون از آند به کاتد جريان برق را به وجود مي‌آورد که قابل استفاده در وسايل برقي است .آب حاصل در کاتد ميتواند مورد استفاده مجدد قرار گيرد.

کاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي

بازار مولدهاي نيروگاهي پيل‌سوختي بسيار گسترده است و کاربردهاي دولتي، نظامي و صنعتي را شامل مي‌شود. همچنين به عنوان نيروي پشتيبان در مواقع اضطراري در مخابرات، صنايع پزشکي، ادارات، بيمارستان‌ها، هتل‌هاي بزرگ و سيستم‌هاي کامپيوتري به کار مي‌رود. پيل هاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسبند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود. اين نيروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهي الکتريکي بالايي دارند و همچنين در ترکيب با نيروگاه‌هاي گاز طبيعي بازدهي الکتريکي آنها به 70-80% مي‌رسد.
مزيت ديگر اين نيروگاه‌ها عدم آلودگي محيط زيست است. خروجي نيروگاه‌هاي پيل‌سوختي بخار‌آب مي باشد.

نيروگاه‌هاي پيل سوختي قابليت استفاده از سوخت‌هاي مختلف مانند متانول، اتانول، هيدروژن، گاز طبيعي، پروپان و بنزين را دارند و مانند ساير نيروگاه‌ها محدود به استفاده از يک منبع انرژي خاص نيست. از زمانيکه اولين پيل‌سوختي نيروگاهي در دهه 60 توليد گشت، تا کنون در مجموع 650 سيستم کامل با توان بيش از 10 کيلووات (ميانگين آن 200 کيلووات است) ساخته شد. تقريباً 90 درصد از اين واحدها با گاز طبيعي تغذيه مي شود. البته استفاده از سوخت‌هاي جايگزين نظير بيوگاز و گاز ذغال نيز پيشرفت قابل ملاحظه‌اي داشته است. در اين بخش نيروگاه انواع متنوع پيل‌سوختي به کار رفته است. در ابتدا از پيل‌سوختي اسيد فسفريک آغاز گرديد و سپس پيل‌سوختي پليمري و پيل‌سوختي کربنات مذاب جايگزين آن گشتند. در حاليکه پيل‌سوختي اکسيد جامد در آينده بازار را به قبضه در خواهد آورد.
در بخش پيل هاي سوختي نيروگاهي کوچک (زير 10 کيلووات) نيز رشد قابل ملاحظه‌اي را شاهد بوديم. تعداد اين واحدها اکنون به 1900 رسيده است. اين سيستم جهت مصارف خانگي و بازارهايي از قبيل UPS ونيروي پشتيبان در اماکن دوردست کاربري دارد. نيمي از محصولات در آمريکاي شمالي توسعه يافته است.
در بخش سيستم‌هاي نيروگاهي کوچک 20 درصد سهم بازار را پيل‌سوختي اکسيدجامد و مابقي را پيل‌سوختي پليمري تشکيل مي‌‌دهد. بازار پيل‌سوختي کوچک در ژاپن که به مصارف خانگي اختصاص دارد، منحصراً با پيل‌سوختي پليمري است و اميد است تا انتهاي سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.
فروش تعدادي از واحدهاي نيروگاهي کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سيستم GenCore شرکت Plug Power مي باشد(توان 5 کيلووات، 15000 دلار)
دولت ژاپن حمايت خود از توسعه پيل هاي سوختي نيروگاهي در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت هاي ژاپني گاز توکيو و Osaca از بزرگترين شرکت هاي توسعه دهنده اين فن‌آوري مي‌باشند.

انواع پيل هاي سوختي

پيل هاي سوختي در انواع زير موجود مي‎باشند:
پيل هاي سوختي اسيدفسفريکي
پيل هاي سوختي پليمري
پيل هاي سوختي اکسيد جامد
پيل هاي سوختي قليايي
پيل هاي سوختي متانولي

مزاياي پيل سوختي چيست؟

راندمان بالا، حداقل نشر آلاينده‎هاي زيست محيطي،امکان استفاده از سوختهاي فسيلي و پاک، مدولار بودن و قابليت توليد همزمان حرارت و الکتريسيته و استفاده در کاربردهاي توليد غيرمتمرکز انرژي از جمله مزاياي پيل سوختي مي‎باشند.

روش هاي توليد پيل سوختي
جديدترين راه توليد پيل سوختي

لوى تامپسون، پرفسور مهندسى شيمى و رئيس تيم تحقيقاتى پيل سوختى جديد در اين مورد چنين مى گويد: «ما به سامانه اى رسيده ايم که بسيار مشابه سامانه هايى است که براى توليد ابزارهاى ميکرو الکترونيک مورد استفاده قرار مى گيرد.»
روشى که پرفسور تامپسون و تيم همکار او به آن رسيده اند، استفاده از ميکروفابريکيشن است. ميکروفابريکيشن خلق ساختارهاى فيزيکي، ابزار و مواد مرکبى است که اجزاى تشکل دهنده آنها در حدود يک ميکرومتر هستند. ميکروالکترونيک ها منبع انرژى کالاهاى بسيار زيادى هستند از کارت تبريک صوتى گرفته تا کامپيوترهاى قابل حمل.
تامپسون يکى از بزرگترين موانع استفاده تجارى و گسترده از پيل هاى سوختى را هزينه بالاى ساخت آن مى داند. براى اينکه از اين منبع در مصارف روزمره استفاده کرد، بايد هزينه توليد آن پايين تر بيايد تا مثلا در يک کامپيوتر قابل حمل مورد استفاده قرار گيرد.
در شيوه معمول کنوني، پيل هاى سوختي، مشابه خودروها توليد مى شوند يعنى قطعات مختلف آنها به صورت جداگانه ساخته مى شوند و سپس روى هم سوار مى شوند تا يک پيل سوختى توليد شود. اين کار گستره بسيار زيادى دارد و علاوه بر هزينه بالاى آن، که به آن اشاره شد نياز به زمان بسيار زيادى دارد. اما گروه تحقيقاتى تامپسون با استفاده از فرآيند پيشرفته ميکروفابريکيشن، نسل جديد پيل هاى سوختى را مى سازد. اين بار به جاى توليد جداگانه پيل سوختي، آنها به صورت لايه لايه ساخته مى شوند، روشى که در حال حاضر براى ساخت ابزارهاى ميکروالکترونيک مورد استفاده قرار مى گيرد.
محققان دانشگاه ميشيگان اميدوارند با استفاده از اين فن آورى ارزان قيمت و همچنين استفاده از مواد ارزانتر، قيمت پيل هاى سوختى را از 10 هزار دلار براى هر کيلو وات به 1000 دلار برسانند.
با اين قيمت، پيل هاى سوختى مى توانند با باترى هاى يون لتييوم که در سطح وسيع مورد استفاده قرار مى گيرند رقابت کنند.
دانشگاه ميشيگان استفاده از ميکروفابريکيشن براى توليد پيل سوختى را دو سال و نيم پيش آغاز کرد. اولين بازار آنها وسايل برقى است، ولى آنها در گام بعدى مى خواهند از پيل هاى سوختى در اتومبيل ها استفاده کنند.

سوخت تازه براي پيل هاي سوختي

با استفاده از اسيدفرميک به عنوان سوخت غيرقابل اشتعال در پيل هاي سوختي محصولات الکترونيکي قابل حمل بدون اتصال به شبکه برق کار مي کنند. شرکت هاي BASE و Tekion توسعه دهنده پيل هاي سوختي مينياتوري براي محصولات قابل حمل به منظور توسعه اسيدفرميک به عنوان سوخت براي فناوري پيل سوختي Tekion تفاهم نامه اي امضا کردند.BASE بزرگترين توليد کننده اسيدفرميک در دنيا محسوب مي شود و قصد دارد با همکاري Tekion، فرمولاسيون مناسبي را براي اسيدفرميک تهيه و آزمايش کند. اين دو شرکت همچنين در زمينه توسعه کدها و استانداردهاي مرتبط با اين موضوع نيز فعاليت خواهند داشت و تجربه هايشان را در زمينه سازگاري اين مواد براي پيل هاي سوختي به اشتراک مي گذارند. بر اساس اين گزارش، اولين کاربرد تجاري محصولات Tekion، يک نمونه «بسته انرژي» است که درون دستگاه هاي الکترونيکي قابل حمل جاي گرفته يا به آنها متصل مي شود تا اين دستگاه ها بتوانند بدون اتصال به شبکه برق کار کنند. اين بسته يک سيستم هيبريدي باتري پيل سوختي مينياتوري است که با نام تجاري بسته انرژي Formira در بازار موجود است و سوخت گيري آن با تعويض کارتريج اسيدفرميک صورت مي گيرد. اين فناوري براي استفاده در محصولات الکترونيکي قابل حمل در محدوده تواني کمتر از 50 وات با انرژي کمتر از 100 وات ساعت طراحي شده و از مزاياي قابل توجهي برخوردار است.

ساخت پيل سوختي با نيروي باکتري

تيمي متشکيل از ميکروبيولوژيست‌ها، مهندسين و متخصصان شيمي زمين از دانشگاه‌هاي کاليفرنياي جنوبي و رايس به منظور ساخت پيل هاي سوختي ( به اندازه يک کف دست) با نيروي محرکه باکتري براي تامين انرژي هواپيماهاي جاسوسي همکاري مشترک خود را آغاز کردند. نيروي هوايي آمريکا از مدتها قبل در پي توليد وسايل نقليه هوايي در مقياس مينياتوري (به اندازه حشرات) بود، اما تاکنون اين خواسته به دليل نداشتن منبع انرژي فشرده مناسب ناکام مانده است.
اين گروه تحقيقاتي اميدوار است با سرمايه‌گذاري 4/4 ميليون دلاري مرکز تحقيقات دانشگاهي در وزارت دفاع (MURI) بتواند با توليد نخستين نمونه بدون سرنشين، طي پنج سال آينده اين انديشه را محقق سازد. بر اساس اين گزارش، در دانشگاه رايس به منظور درک چگونگي اتصال و اثر متقابل باکتري Sewanella بر سطوح آند در پيل سوختي، تحقيقاتي در حال انجام است.
آند در پيل سوختي و باتري‌ها، وظيفه جمع‌آوري الکترون اضافي را بر عهده دارد و اين تيم قصد دارد شرايط بهينه انتقال الکترون‌ها در سطح آند در شرايط مختلف را تعيين کند.
اجزاي اصلي اين سيستم باکتري، سطح و محلول هضم کننده باکتري است که تغيير هر يک از اين عوامل روي دو عامل ديگر مؤثر بوده و هدف، يافتن شرايط بهينه عملکرد سيستم کلي است.
دانشگاه کاليفرنياي جنوبي در زمينه روش هاي ژنتيکي، حفظ متابوليسم تنفسي ميکروب‌ها در محيط‌هاي با اکسيژن کم، تحقيقاتي انجام داده است. Sewanella يکي از اين باکتري‌ها براي متابوليسم کامل غذا به جاي اکسيژن از فلز استفاده مي‌کند و از آنجا که اين ارگانيسم قادر است مستقيما الکترون‌ها را به اکسيد فلزي جامد انتقال دهد، مي توان آن را در آند پيل سوختي مورد استفاده قرار داد.
در مطالعه پيل سوختي به منظور ارزيابي رفتار باکتري در شرايط مختلف از مدل‌هاي رايانه‌اي استفاده شده است که انجام اين آزمايش‌ها توسط رايانه، موجب تمرکز آزمايش‌هاي تجربي روي روش هاي مناسب‌تر و صرفه‌جويي در زمان و هزينه خواهد شد.

يکي ديگر از انگيزه هاي وسوه برانگيز بکارگيري پيل سوختي

شرکت جنرال موتورز قصد دارد با برنامه اي بلند مدت، سوخت هيدروژن را به صورت همه گير در خودروها مورد استفاده قرار دهد. در حال حاضر شش ميليارد و 400 ميليون انسان بر روي کره زمين زندگي مي‌کنند و اين آمار تا سال 2020 به هفت ميليارد و 500 ميليون نفر خواهد رسيد. در همين حال پيش‌بيني مي‌شود، در مدت زمان فوق شمار افرادي که صاحب خودرو مي‌شوند 12 تا 15 درصد رشد داشته باشد و اين بدان معني است که تعداد خودروها که در حال حاضر در حدود 775 ميليون دستگاه برآورد شده است، تا سال 2020 به بيش از يک ميليارد و 100 ميليون دستگاه خواهد رسيد. بنابراين کاهش مصرف سوخت و آلاينده‌هاي محيط زيست اهميت بسيار زيادي پيدا مي‌کند که در اين ميان شرکت خودروسازي جنرال موتورز آمريکا با معرفي تکنولوژي پيل سوختي هيدروژني توانسته است اميد به جابجايي بدون آلودگي رادر آينده افزايش دهد.
لذا توسعه خودروهاي پيل سوختي به سرعت در جهان در حال رشد است، به طوري که در حال حاضر شرکت‌هاي خودروسازي جنرال موتورز و اوپل بيش از يک ميليارد دلار صرف تحقيقات در اين تکنولوژي کرده‌اند.
"هيدروژن 3 اوپل" ثابت کرده است که رانندگي با خودروهاي متفاوت، مسير خود را از آزمايشگاه به جاده هموار کرده است و نمونه اوليه آن در حال حاضر با همکاري شرکت سازنده مبلمان ايکيا (IKEA) در حال گذراندن آزمايشهاي متفاوت است و سکوئل (Seqel) جنرال موتورز به توليد خودروهاي با پيل سوختي نزديک‌تر شده است.
"هيدروژن 3 اوپل"؛ دونده دو ماراتن، قهرمان مسابقات رالي
"هيدروژن 3 اوپل" جانشين نمونه اوليه هيدروژني است که در بهار سال 2000 معرفي شد و از روي طرح خودرو زافيرا اوپل ساخته شده بود.
نيروي برق اين خودرو توسط 200 قطعه پيل سوختي که به صورت سري به يکديگر متصل شده‌اند، توليد مي‌شود. اين پيل‌ها نيروي موتور برقي 82 اسب بخار بر 60 کيلووات هيدروژن 3 را تامين مي‌کند. اين نيروگاه که حداکثر 215NM گشتاور توسعه مي‌دهد، حداکثر سرعتي برابر با 160 کيلومتر بر ساعت توليد مي‌کند و در کمتر از 16 ثانيه از صفر تا 100 کيلومتر در ساعت شتاب مي‌گيرد که در حالتي کاملا بي‌صداست.
در مسابقات ماراتن تابستان سال 2004، هيدروژن 3 اوپل توانست بدون هيچ مشکلي 9 هزار و 696 کيلومتر را در 14 کشور مختلف اروپايي طي کند. در آوريل سال 2005 نيز اين خودرو توانست جايزه مسابقات رالي مونت کارلو را براي وسايل نقليه داراي پيل سوختي از آن خود کند.
شرکت خودروسازي اوپل اکنون در حال گسترش تکنولوژي آزمايشهاي پيل سوختي با همکاري شرکت سوئدي ايکيا مي‌باشد. وسايل نقليه پيل سوختي هيدروژن 3 که عاري از آلاينده‌هاي زيست محيطي مي‌باشد از اوايل تابستان سال گذشته تحويل کالاها به مشتريان ايکيا را در برلين آغاز کرده است. سوخت اين وسايل نقليه با هيدروژن مايع تامين مي‌شود.
آزمايشهاي اين خودروها تحت نظارت پروژه همکاري انرژي پاک دولت آلمان انجام مي‌شود که عملکرد انرژي 17 خودرو با سوخت هيدروژني را تحت شرايط خاص آزمايش مي‌کند.
بزرگترين جايگاه سوخت گاز هيدروژني جهان در پاييز سال 2004 در پايتخت آلمان آغاز به کار کرد و قرار است علاوه بر گاز هيدروژن و هيدروژن مايع، بنزين و گازوئيل نيز به مردم ارايه کند.

سکوئل جنرال موتورز

خودروي سکوئل جنرال موتورز محصولي است که تمامي نتايج تحقيقات فشرده که طي چند سال اخير از سوي بزرگترين خودروساز جهان انجام شده است را در بر دارد؛ پروژه‌اي که جنرال موتورز بيش از يک ميليارد دلار در آن سرمايه‌گذاري کرده است. اين خودرو جادار به گونه‌اي طراحي شده است که کمترين آلايندگي محيط زيست را دارد. در اين خودرو سه منبع با فشار بالا تعبيه شده است که موقعيت آنها در ميانه شاسي باعث بهبود مرکز ثقل خودرو مي‌شود. اين خودروها که از اصلاحات فني بسيار زيادي نيز بهره‌مند مي‌باشند منحصر به فرد هستند.
خودروي سکوئل جنرال موتورز به دليل افزايش 25 درصدي نيرو توسط تکنولوژي جديد مي‌تواند سرعت صفر تا 100 کيلومتر را در کمتر از 10 ثانيه به دست آورد.
اجزاي پيل سوختي شامل توده پيل سوختي، دستگاه فرعي هيدروژن و فرآوري هوا، سيستم خنک کننده و سيستم توزيع ولتاژ بالا مي‌باشد.
ادامه دارد ......
/خ