پيل سوختي

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.

كاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي

بازار مولدهای نیروگاهی پیل‌سوختی بسیار گسترده است و کاربردهای دولتی، نظامی و صنعتی را شامل می‌شود. همچنین به عنوان نیروی پشتیبان در مواقع اضطراری در مخابرات، صنایع پزشکی، ادارات، بیمارستان‌ها، هتل‌های بزرگ و سیستم‌های کامپیوتری به کار می‌رود.

پیل‌های سوختی نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت تولید برق محلی مناسبند. علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.

این نیروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهی الکتریکی بالایی دارند و همچنین در ترکیب با نیروگاه‌های گاز طبیعی بازدهی الکتریکی آنها به 70-80% می‌رسد.

مزیت دیگر این نیروگاه‌ها عدم آلودگی محیط زیست است. خروجی نیروگاه‌های پیل‌سوختی بخار‌آب می باشد.

نیروگاه‌های پیل سوختی قابلیت استفاده از سوخت‌های مختلف مانند متانول، اتانول، هیدروژن، گاز طبیعی، پروپان و بنزین را دارند و مانند سایر نیروگاه‌ها محدود به استفاده از یک منبع انرژی خاص نیست. از زمانیکه اولین پیل‌سوختی نیروگاهی در دهه 60 تولید گشت، تا کنون در مجموع 650 سیستم کامل با توان بیش از 10 کیلووات (میانگین آن 200 کیلووات است) ساخته شد. تقریباً 90 درصد از این واحدها با گاز طبیعی تغذیه می شود. البته استفاده از سوخت‌های جایگزین نظیر بیوگاز و گاز ذغال نیز پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است. در این بخش نیروگاه انواع متنوع پیل‌سوختی به کار رفته است. در ابتدا از پیل‌سوختی اسید فسفریک آغاز گردید و سپس پیل‌سوختی پلیمری و پیل‌سوختی کربنات مذاب جایگزین آن گشتند. در حالیکه پیل‌سوختی اکسید جامد در آینده بازار را به قبضه در خواهد آورد.

در بخش پیل‌های سوختی نیروگاهی کوچک (زیر 10 کیلووات) نیز رشد قابل ملاحظه‌ای را شاهد بودیم. تعداد این واحدها اکنون به 1900 رسیده است. این سیستم جهت مصارف خانگی و بازارهایی از قبیل UPS ونیروی پشتیبان در اماکن دوردست کاربری دارد. نیمی از محصولات در آمریکای شمالی توسعه یافته است.

در بخش سیستم‌های نیروگاهی کوچک 20 درصد سهم بازار را پیل‌سوختی اکسیدجامد و مابقی را پیل‌سوختی پلیمری تشکیل مي‌‌دهد. بازار پیل‌سوختی کوچک در ژاپن که به مصارف خانگی اختصاص دارد، منحصراً با پیل‌سوختی پلیمری است و امید است تا انتهای سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.

فروش تعدادی از واحدهای نیروگاهی کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سیستم GenCore شرکت Plug Power می باشد(توان 5 کیلووات، 15000 دلار)

دولت ژاپن حمایت خود از توسعه پیل‌های سوختی نیروگاهی در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت های ژاپنی گاز توکیو و Osaca از بزرگترین شرکت های توسعه دهنده این فن‌آوری می‌باشند.

انواع پيلهاي سوختي

پيلهاي سوختي در انواع زير موجود مي‎باشند:
پيلهاي سوختي اسيدفسفريكي
پيلهاي سوختي پليمري
پيلهاي سوختي اكسيد جامد
پيلهاي سوختي قليايي
پيلهاي سوختي متانولي

مزاياي پيل سوختي چيست؟

راندمان بالا، حداقل نشر آلاينده‎هاي زيست محيطي،امكان استفاده از سوختهاي فسيلي و پاك، مدولار بودن و قابليت توليد همزمان حرارت و الكتريسيته و استفاده در كاربردهاي توليد غيرمتمركز انرژي از جمله مزاياي پيل سوختي مي‎باشند.

روشهاي توليد پيل سوختي

جدیدترین راه تولید پیل سوختی

لوى تامپسون، پرفسور مهندسى شيمى و رئيس تيم تحقيقاتى پيل سوختى جديد در اين مورد چنين مى گويد: «ما به سامانه اى رسيده ايم كه بسيار مشابه سامانه هايى است كه براى توليد ابزارهاى ميكرو الكترونيك مورد استفاده قرار مى گيرد.»
روشى كه پرفسور تامپسون و تيم همكار او به آن رسيده اند، استفاده از ميكروفابريكيشن است. ميكروفابريكيشن خلق ساختارهاى فيزيكي، ابزار و مواد مركبى است كه اجزاى تشكل دهنده آنها در حدود يك ميكرومتر هستند. ميكروالكترونيك ها منبع انرژى كالاهاى بسيار زيادى هستند از كارت تبريك صوتى گرفته تا كامپيوترهاى قابل حمل.
تامپسون يكى از بزرگترين موانع استفاده تجارى و گسترده از پيل هاى سوختى را هزينه بالاى ساخت آن مى داند. براى اينكه از اين منبع در مصارف روزمره استفاده كرد، بايد هزينه توليد آن پايين تر بيايد تا مثلا در يك كامپيوتر قابل حمل مورد استفاده قرار گيرد.
در شيوه معمول كنوني، 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 يك پيل سوختى توليد شود. اين كار گستره بسيار زيادى دارد و علاوه بر هزينه بالاى آن، كه به آن اشاره شد نياز به زمان بسيار زيادى دارد. اما گروه تحقيقاتى تامپسون با استفاده از فرآيند پيشرفته ميكروفابريكيشن، 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 كه در حال حاضر براى ساخت ابزارهاى ميكروالكترونيك 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 ۱۰ هزار دلار براى هر كيلو وات به ۱۰۰۰ دلار برسانند.
با اين قيمت، پيل هاى سوختى مى توانند با باترى هاى يون لتييوم كه در سطح وسيع مورد استفاده قرار مى گيرند رقابت كنند.
دانشگاه ميشيگان استفاده از ميكروفابريكيشن براى توليد پيل سوختى را دو سال و نيم پيش آغاز كرد. اولين بازار آنها وسايل برقى است، ولى آنها در گام بعدى مى خواهند از پيل هاى سوختى در اتومبيل ها استفاده كنند.

سوخت تازه برای پیل های سوختی

 با استفاده از اسیدفرمیك به عنوان سوخت غیرقابل اشتعال در پیل های سوختی محصولات الكترونیكی قابل حمل بدون اتصال به شبكه برق كار می كنند. شركت های BASE و Tekion توسعه دهنده پیل های سوختی مینیاتوری برای محصولات قابل حمل به منظور توسعه اسیدفرمیك به عنوان سوخت برای فناوری پیل سوختی Tekion تفاهم نامه ای امضا كردند.BASE بزرگترین تولید كننده اسیدفرمیك در دنیا محسوب می شود و قصد دارد با همكاری Tekion، فرمولاسیون مناسبی را برای اسیدفرمیك تهیه و آزمایش كند. این دو شركت همچنین در زمینه توسعه كدها و استانداردهای مرتبط با این موضوع نیز فعالیت خواهند داشت و تجربه هایشان را در زمینه سازگاری این مواد برای پیل های سوختی به اشتراك می گذارند. بر اساس این گزارش، اولین كاربرد تجاری محصولات Tekion، یك نمونه «بسته انرژی» است كه درون دستگاه های الكترونیكی قابل حمل جای گرفته یا به آنها متصل می شود تا این دستگاه ها بتوانند بدون اتصال به شبكه برق كار كنند. این بسته یك سیستم هیبریدی باتری پیل سوختی مینیاتوری است كه با نام تجاری بسته انرژی Formira در بازار موجود است و سوخت گیری آن با تعویض كارتریج اسیدفرمیك صورت می گیرد. این فناوری برای استفاده در محصولات الكترونیكی قابل حمل در محدوده توانی كمتر از ۵۰ وات با انرژی كمتر از ۱۰۰ وات ساعت طراحی شده و از مزایای قابل توجهی برخوردار است.

ساخت پيل سوختي با نيروي باكتري

تيمي متشكيل از ميكروبيولوژيست‌ها، مهندسين و متخصصان شيمي زمين از دانشگاه‌هاي كاليفرنياي جنوبي و رايس به منظور ساخت پيل‌هاي سوختي ( به اندازه يك كف دست) با نيروي محركه باكتري براي تامين انرژي هواپيماهاي جاسوسي همكاري مشترك خود را آغاز كردند. نيروي هوايي آمريكا از مدتها قبل در پي توليد وسايل نقليه هوايي در مقياس مينياتوري (به اندازه حشرات) بود، اما تاكنون اين خواسته به دليل نداشتن منبع انرژي فشرده مناسب ناكام مانده است.

اين گروه تحقيقاتي اميدوار است با سرمايه‌گذاري 4/4 ميليون دلاري مركز 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 درك چگونگي اتصال و اثر متقابل باكتري Sewanella بر سطوح آند در پيل سوختي، تحقيقاتي در حال انجام است.

آند در پيل سوختي و باتري‌ها، وظيفه جمع‌آوري الكترون اضافي را بر عهده دارد و اين تيم قصد دارد شرايط بهينه انتقال الكترون‌ها در سطح آند در شرايط مختلف را تعيين كند.

اجزاي اصلي اين سيستم باكتري، سطح و محلول هضم كننده باكتري است كه تغيير هر يك از اين عوامل روي دو عامل ديگر مؤثر بوده و هدف، يافتن شرايط بهينه عملكرد سيستم كلي است.

 دانشگاه كاليفرنياي جنوبي در زمينه روش‌هاي ژنتيكي، حفظ متابوليسم تنفسي ميكروب‌ها در محيط‌هاي با اكسيژن كم، تحقيقاتي انجام داده است. Sewanella يكي از اين باكتري‌ها براي متابوليسم كامل غذا به جاي اكسيژن از فلز استفاده مي‌كند و از آنجا كه اين ارگانيسم قادر است مستقيما الكترون‌ها را به اكسيد فلزي جامد انتقال دهد، مي توان آن را در آند پيل سوختي مورد استفاده قرار داد.

در مطالعه پيل سوختي به منظور ارزيابي رفتار باكتري در شرايط مختلف از مدل‌هاي رايانه‌اي استفاده شده است كه انجام اين آزمايش‌ها توسط رايانه، موجب تمركز آزمايش‌هاي تجربي روي روش‌هاي مناسب‌تر و صرفه‌جويي در زمان و هزينه خواهد شد.

يکي ديگر از انگيزه هاي وسوه برانگيز بکارگيري پيل سوختي

شركت 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 كره زمين زندگي مي‌كنند 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 كه صاحب خودرو مي‌شوند 12 تا 15 درصد رشد داشته باشد و اين بدان معني است كه تعداد خودروها كه در حال حاضر در حدود 775 ميليون دستگاه برآورد شده است، تا سال 2020 به بيش از يك ميليارد و 100 ميليون دستگاه خواهد رسيد. بنابراين كاهش مصرف سوخت و آلاينده‌هاي محيط زيست اهميت بسيار زيادي پيدا مي‌كند كه در اين ميان شركت خودروسازي جنرال موتورز آمريكا با معرفي تكنولوژي 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 كه در حال حاضر شركت‌هاي خودروسازي جنرال موتورز و اوپل بيش از يك ميليارد دلار صرف تحقيقات در اين تكنولوژي كرده‌اند.

"هيدروژن 3 اوپل" ثابت كرده است كه رانندگي با خودروهاي متفاوت، مسير خود را از آزمايشگاه به جاده هموار كرده است و نمونه اوليه آن در حال حاضر با همكاري شركت سازنده مبلمان ايكيا (IKEA) در حال گذراندن آزمايشهاي متفاوت است و سكوئل (Seqel) جنرال موتورز به توليد خودروهاي با پيل سوختي نزديك‌تر شده است.

"هيدروژن 3 اوپل"؛ دونده دو ماراتن، قهرمان مسابقات رالي

"هيدروژن 3 اوپل" جانشين نمونه اوليه هيدروژني است كه 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 كه به صورت سري به يكديگر متصل شده‌اند، توليد مي‌شود. اين پيل‌ها نيروي موتور برقي 82 اسب بخار بر 60 كيلووات هيدروژن 3 را تامين مي‌كند. اين نيروگاه كه حداكثر 215NM گشتاور توسعه مي‌دهد، حداكثر سرعتي برابر با 160 كيلومتر بر ساعت توليد مي‌كند و در كمتر از 16 ثانيه از صفر تا 100 كيلومتر در ساعت شتاب مي‌گيرد كه در حالتي كاملا بي‌صداست.

در مسابقات ماراتن تابستان سال 2004، هيدروژن 3 اوپل توانست بدون هيچ مشكلي 9 هزار و 696 كيلومتر را در 14 كشور مختلف اروپايي طي كند. در آوريل سال 2005 نيز اين خودرو توانست جايزه مسابقات رالي مونت كارلو را براي وسايل نقليه داراي پيل سوختي از آن خود كند.

شركت خودروسازي اوپل اكنون در حال گسترش تكنولوژي آزمايشهاي پيل سوختي با همكاري شركت سوئدي ايكيا مي‌باشد. وسايل نقليه پيل سوختي هيدروژن 3 كه عاري از آلاينده‌هاي زيست محيطي مي‌باشد از اوايل تابستان سال گذشته تحويل كالاها به مشتريان ايكيا را در برلين آغاز كرده است. سوخت اين وسايل نقليه با هيدروژن مايع تامين مي‌شود.

آزمايشهاي اين خودروها تحت نظارت پروژه همكاري انرژي پاك دولت آلمان انجام مي‌شود كه عملكرد انرژي 17 خودرو با سوخت هيدروژني را تحت شرايط خاص آزمايش مي‌كند.

بزرگترين جايگاه سوخت گاز هيدروژني جهان در پاييز سال 2004 در پايتخت آلمان آغاز به كار كرد و قرار است علاوه بر گاز هيدروژن و هيدروژن مايع، بنزين و گازوئيل نيز به مردم ارايه كند.

سكوئل جنرال موتورز

 خودروي سكوئل جنرال موتورز محصولي است كه تمامي نتايج تحقيقات فشرده كه طي چند سال اخير از سوي بزرگترين خودروساز جهان انجام شده است را در بر دارد؛ پروژه‌اي كه جنرال موتورز بيش از يك ميليارد دلار در آن سرمايه‌گذاري كرده است. اين خودرو جادار به گونه‌اي طراحي شده است كه كمترين آلايندگي محيط زيست را دارد. در اين خودرو سه منبع با فشار بالا تعبيه شده است كه موقعيت آنها در ميانه شاسي باعث بهبود مركز ثقل خودرو مي‌شود. اين خودروها كه از اصلاحات فني بسيار زيادي نيز بهره‌مند مي‌باشند منحصر به فرد هستند.

خودروي سكوئل جنرال موتورز به دليل افزايش 25 درصدي نيرو توسط تكنولوژي جديد مي‌تواند سرعت صفر تا 100 كيلومتر را در كمتر از 10 ثانيه به دست آورد.

اجزاي پيل سوختي شامل توده پيل سوختي، دستگاه فرعي هيدروژن و فرآوري هوا، سيستم خنك كننده و سيستم توزيع ولتاژ بالا مي‌باشد.

=================================

گردآورنده : شهرزاد شهبازي

منابع :

•  روزنامه همشهرى

• ويکي پديا

• همکلاسي

• ایسنا

• Fuel Cells & Vehicles

• Microbial Fuel Cells