تاریخچه پیل سوختی

[spow 44,186]

تاریخچه پیل سوختی

 

اگر چه پیل‌سوختی به تازگی به عنوان یكی از راهكارهای تولید انرژی الكتریكی مطرح شده است ولی تاریخچه آن به قرن نوزدهم و كار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر می‌گردد. او اولین پیل‌سوختی را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.

واژه "پیل‌سوختی" در سال 1889 توسط لودویک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعی پیل‌سوختی که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف می‌کرد، ساختند. تلاش‌های متعددی در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیل‌سوختی انجام شد که به دلیل عدم درک علمی مسئله هیچ یک موفقیت آمیز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.

فصلی دیگر از تاریخچه تحقیقات پیل‌سوختی توسط فرانسیس بیكن از دانشگاه كمبریج انجام شد. او در سال 1932 بر روی ماشین ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسیاری انجام داد. این اصلاحات شامل جایگزینی كاتالیست گرانقیمت پلاتین با نیكل و همچنین استفاده از هیدروكسیدپتاسیم قلیایی به جای اسید سولفوریك به دلیل مزیت عدم خورندگی آن می‌باشد. این اختراع كه اولین پیل‌سوختی قلیایی بود، “Bacon Cell” نامیده شد. او 27 سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یك پیل‌سوختی كامل وكارا ارائه نماید. بیكون در سال 1959 پیل‌سوختی با توان 5 كیلووات را تولید نمود كه می‌توانست نیروی محركه یك دستگاه جوشكاری را تامین نماید.

تحقیقات جدید در این عرصه از اوایل دهه 60 میلادی با اوج گیری فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مركز تحقیقات ناسا در پی تامین نیرو جهت پروازهای فضایی با سرنشین بود. ناسا پس از رد گزینه‌های موجود نظیر باتری (به علت سنگینی)، انرژی خورشیدی(به علت گران بودن) و انرژی هسته‌ای (به علت ریسك بالا) پیل‌سوختی را انتخاب نمود.

تحقیقات در این زمینه به ساخت پیل‌سوختی پلیمری توسط شركت جنرال الكتریك منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضایی Gemini استفاده نمود كه اولین كاربرد تجاری پیل‌سوختی بود.

پرت و ویتنی دو سازنده موتور هواپیما پیل‌سوختی قلیایی بیكن را به منظور كاهش وزن و افزایش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضایی آپولو به كار بردند. در هر دو پروژه پیل‌سوختی بعنوان منبع انرژی الكتریكی برای فضاپیما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پیل‌های سوختی برای فضانوردان آب آشامیدنی نیز تولید می‌كرد. پس از کاربرد پیل‌های سوختی در این پروژه‌ها، دولت‌ها و شركت‌ها به این فن‌آوری جدید به عنوان منبع مناسبی برای تولید انرژی پاك در آینده توجه روزافزونی نشان دادند.

از سال 1970 فنآوری پیل‌سوختی برای سیستم‌های زمینی توسعه یافت. تحریم نفتی از سال1973-1979 موجب تشدید تلاش دولتمردان امریكا و محققین در توسعه این فن‌آوری به جهت قطع وابستگی به واردات نفتی گشت.

در طول دهه 80 تلاش محققین بر تهیه مواد مورد نیاز، انتخاب سوخت مناسب و كاهش هزینه استوار بود. همچنین اولین محصول تجاری جهت تامین نیرو محركه خودرو در سال1993 توسط شركت بلارد ارائه شد.

كاربردهای پیل سوختی نیروگاهی

 

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 می‌‌دهد. 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 پیلهای سوختی

 

پیلهای سوختی در انواع زیر موجود می‎باشند:

پیلهای سوختی اسیدفسفریكی

پیلهای سوختی پلیمری

پیلهای سوختی اكسید جامد

پیلهای سوختی قلیایی

پیلهای سوختی متانولی

مزایای پیل سوختی چیست؟

 

راندمان بالا، حداقل نشر آلاینده‎های زیست محیطی،امكان استفاده از سوختهای فسیلی و پاك، مدولار بودن و قابلیت تولید همزمان حرارت و الكتریسیته و استفاده در كاربردهای تولید غیرمتمركز انرژی از جمله مزایای پیل سوختی می‎باشند.

روشهای تولید پیل سوختی

 

جدیدترین راه تولید پیل سوختی

لوى تامپسون، پرفسور مهندسى شیمى و رئیس تیم تحقیقاتى پیل سوختى جدید در این مورد چنین مى گوید: «ما به سامانه اى رسیده ایم كه بسیار مشابه سامانه هایى است كه براى تولید ابزارهاى میكرو الكترونیك مورد استفاده قرار مى گیرد.»

روشى كه پرفسور تامپسون و تیم همكار او به آن رسیده اند، استفاده از میكروفابریكیشن است. میكروفابریكیشن خلق ساختارهاى فیزیكی، ابزار و مواد مركبى است كه اجزاى تشكل دهنده آنها در حدود یك میكرومتر هستند. میكروالكترونیك ها منبع انرژى كالاهاى بسیار زیادى هستند از كارت تبریك صوتى گرفته تا كامپیوترهاى قابل حمل.

تامپسون یكى از بزرگترین موانع استفاده تجارى و گسترده از پیل هاى سوختى را هزینه بالاى ساخت آن مى داند. براى اینكه از این منبع در مصارف روزمره استفاده كرد، باید هزینه تولید آن پایین تر بیاید تا مثلا در یك كامپیوتر قابل حمل مورد استفاده قرار گیرد.

در شیوه معمول كنونی، پیل هاى سوختی، مشابه خودروها تولید مى شوند یعنى قطعات مختلف آنها به صورت جداگانه ساخته مى شوند و سپس روى هم سوار مى شوند تا یك پیل سوختى تولید شود. این كار گستره بسیار زیادى دارد و علاوه بر هزینه بالاى آن، كه به آن اشاره شد نیاز به زمان بسیار زیادى دارد. اما گروه تحقیقاتى تامپسون با استفاده از فرآیند پیشرفته میكروفابریكیشن، نسل جدید پیل هاى سوختى را مى سازد. این بار به جاى تولید جداگانه پیل سوختی، آنها به صورت لایه لایه ساخته مى شوند، روشى كه در حال حاضر براى ساخت ابزارهاى میكروالكترونیك مورد استفاده قرار مى گیرد.

محققان دانشگاه میشیگان امیدوارند با استفاده از این فن آورى ارزان قیمت و همچنین استفاده از مواد ارزانتر، قیمت پیل هاى سوختى را از ۱۰ هزار دلار براى هر كیلو وات به ۱۰۰۰ دلار برسانند.

با این قیمت، پیل هاى سوختى مى توانند با باترى هاى یون لتییوم كه در سطح وسیع مورد استفاده قرار مى گیرند رقابت كنند.

دانشگاه میشیگان استفاده از میكروفابریكیشن براى تولید پیل سوختى را دو سال و نیم پیش آغاز كرد. اولین بازار آنها وسایل برقى است، ولى آنها در گام بعدى مى خواهند از پیل هاى سوختى در اتومبیل 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 پیل سوختی با نیروی باكتری

تیمی متشكیل از میكروبیولوژیست‌ها، مهندسین و متخصصان شیمی زمین از دانشگاه‌های كالیفرنیای جنوبی و رایس به منظور ساخت پیل‌های سوختی ( به اندازه یك كف دست) با نیروی محركه باكتری برای تامین انرژی هواپیماهای جاسوسی همكاری مشترك خود را آغاز كردند. نیروی هوایی آمریكا از مدتها قبل در پی تولید وسایل نقلیه هوایی در مقیاس مینیاتوری (به اندازه حشرات) بود، اما تاكنون این خواسته به دلیل نداشتن منبع انرژی فشرده مناسب ناكام مانده است.

این گروه تحقیقاتی امیدوار است با سرمایه‌گذاری 4/4 میلیون دلاری مركز تحقیقات دانشگاهی در وزارت دفاع (MURI) بتواند با تولید نخستین نمونه بدون سرنشین، طی پنج سال آینده این اندیشه را محقق سازد. بر اساس این گزارش، در دانشگاه رایس به منظور درك چگونگی اتصال و اثر متقابل باكتری Sewanella بر سطوح آند در پیل سوختی، تحقیقاتی در حال انجام است.

آند در پیل سوختی و باتری‌ها، وظیفه جمع‌آوری الكترون اضافی را بر عهده دارد و این تیم قصد دارد شرایط بهینه انتقال الكترون‌ها در سطح آند در شرایط مختلف را تعیین كند.

اجزای اصلی این سیستم باكتری، سطح و محلول هضم كننده باكتری است كه تغییر هر یك از این عوامل روی دو عامل دیگر مؤثر بوده و هدف، یافتن شرایط بهینه عملكرد سیستم كلی است.

دانشگاه كالیفرنیای جنوبی در زمینه روش‌های ژنتیكی، حفظ متابولیسم تنفسی میكروب‌ها در محیط‌های با اكسیژن كم، تحقیقاتی انجام داده است. Sewanella یكی از این باكتری‌ها برای متابولیسم كامل غذا به جای اكسیژن از فلز استفاده می‌كند و از آنجا كه این ارگانیسم قادر است مستقیما الكترون‌ها را به اكسید فلزی جامد انتقال دهد، می توان آن را در آند پیل سوختی مورد استفاده قرار داد.

در مطالعه پیل سوختی به منظور ارزیابی رفتار باكتری در شرایط مختلف از مدل‌های رایانه‌ای استفاده شده است كه انجام این آزمایش‌ها توسط رایانه، موجب تمركز آزمایش‌های تجربی روی روش‌های مناسب‌تر و صرفه‌جویی در زمان و هزینه خواهد شد.

یکی دیگر از انگیزه های وسوسه برانگیز بکارگیری پیل سوختی

 

شركت جنرال موتورز قصد دارد با برنامه ای بلند مدت، سوخت هیدروژن را به صورت همه گیر در خودروها مورد استفاده قرار دهد.

در حال حاضر شش میلیارد و 400 میلیون انسان بر روی كره زمین زندگی می‌كنند و این آمار تا سال 2020 به هفت میلیارد و 500 میلیون نفر خواهد رسید. در همین حال پیش‌بینی می‌شود، در مدت زمان فوق شمار افرادی كه صاحب خودرو می‌شوند 12 تا 15 درصد رشد داشته باشد و این بدان معنی است كه تعداد خودروها كه در حال حاضر در حدود 775 میلیون دستگاه برآورد شده است، تا سال 2020 به بیش از یك میلیارد و 100 میلیون دستگاه خواهد رسید. بنابراین كاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های محیط زیست اهمیت بسیار زیادی پیدا می‌كند كه در این میان شركت خودروسازی جنرال موتورز آمریكا با معرفی تكنولوژی پیل سوختی هیدروژنی توانسته است امید به جابجایی بدون آلودگی رادر آینده افزایش دهد.

لذا توسعه خودروهای پیل سوختی به سرعت در جهان در حال رشد است، به طوری كه در حال حاضر شركت‌های خودروسازی جنرال موتورز و اوپل بیش از یك میلیارد دلار صرف تحقیقات در این تكنولوژی كرده‌اند.

"هیدروژن 3 اوپل" ثابت كرده است كه رانندگی با خودروهای متفاوت، مسیر خود را از آزمایشگاه به جاده هموار كرده است و نمونه اولیه آن در حال حاضر با همكاری شركت سازنده مبلمان ایكیا (IKEA) در حال گذراندن آزمایشهای متفاوت است و سكوئل (Seqel) جنرال موتورز به تولید خودروهای با پیل سوختی نزدیك‌تر شده است.

"هیدروژن 3 اوپل"؛ دونده دو ماراتن، قهرمان مسابقات رالی

"هیدروژن 3 اوپل" جانشین نمونه اولیه هیدروژنی است كه در بهار سال 2000 معرفی شد و از روی طرح خودرو زافیرا اوپل ساخته شده بود.

نیروی برق این خودرو توسط 200 قطعه پیل سوختی كه به صورت سری به یكدیگر متصل شده‌اند، تولید می‌شود. این پیل‌ها نیروی موتور برقی 82 اسب بخار بر 60 كیلووات هیدروژن 3 را تامین می‌كند. این نیروگاه كه حداكثر 215NM گشتاور توسعه می‌دهد، حداكثر سرعتی برابر با 160 كیلومتر بر ساعت تولید می‌كند و در كمتر از 16 ثانیه از صفر تا 100 كیلومتر در ساعت شتاب می‌گیرد كه در حالتی كاملا بی‌صداست.

در مسابقات ماراتن تابستان سال 2004، هیدروژن 3 اوپل توانست بدون هیچ مشكلی 9 هزار و 696 كیلومتر را در 14 كشور مختلف اروپایی طی كند. در آوریل سال 2005 نیز این خودرو توانست جایزه مسابقات رالی مونت كارلو را برای وسایل نقلیه دارای پیل سوختی از آن خود كند.

شركت خودروسازی اوپل اكنون در حال گسترش تكنولوژی آزمایشهای پیل سوختی با همكاری شركت سوئدی ایكیا می‌باشد. وسایل نقلیه پیل سوختی هیدروژن 3 كه عاری از آلاینده‌های زیست محیطی می‌باشد از اوایل تابستان سال گذشته تحویل كالاها به مشتریان ایكیا را در برلین آغاز كرده است. سوخت این وسایل نقلیه با هیدروژن مایع تامین می‌شود.

آزمایشهای این خودروها تحت نظارت پروژه همكاری انرژی پاك دولت آلمان انجام می‌شود كه عملكرد انرژی 17 خودرو با سوخت هیدروژنی را تحت شرایط خاص آزمایش می‌كند.

بزرگترین جایگاه سوخت گاز هیدروژنی جهان در پاییز سال 2004 در پایتخت آلمان آغاز به كار كرد و قرار است علاوه بر گاز هیدروژن و هیدروژن مایع، بنزین و گازوئیل نیز به مردم ارایه كند.

سكوئل جنرال موتورز

خودروی سكوئل جنرال موتورز محصولی است كه تمامی نتایج تحقیقات فشرده كه طی چند سال اخیر از سوی بزرگترین خودروساز جهان انجام شده است را در بر دارد؛ پروژه‌ای كه جنرال موتورز بیش از یك میلیارد دلار در آن سرمایه‌گذاری كرده است. این خودرو جادار به گونه‌ای طراحی شده است كه كمترین آلایندگی محیط زیست را دارد. در این خودرو سه منبع با فشار بالا تعبیه شده است كه موقعیت آنها در میانه شاسی باعث بهبود مركز ثقل خودرو می‌شود. این خودروها كه از اصلاحات فنی بسیار زیادی نیز بهره‌مند می‌باشند منحصر به فرد هستند.

خودروی سكوئل جنرال موتورز به دلیل افزایش 25 درصدی نیرو توسط تكنولوژی جدید می‌تواند سرعت صفر تا 100 كیلومتر را در كمتر از 10 ثانیه به دست آورد.

اجزای پیل سوختی شامل توده پیل سوختی، دستگاه فرعی هیدروژن و فرآوری هوا، سیستم خنك كننده و سیستم توزیع ولتاژ بالا می‌باشد.