موضوع مقاله: پیل سوختی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پیل سوختی | مقدمه: در مورد پیل سوختی هیدروژنی می‌توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز آب استفاده می‌گردد، به عبارت دیگر از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌گردد. | ## بخش 1: پیل سوختی | مقدمه پیل‌های سوختی فناوری جدیدی برای تولید انرژی هستند که بدون ایجاد آلودگی‌های زیست محیطی و صوتی، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده، انرژی الکتریکی با بازدهی بالا تولید می‌کنند. تولید مستقیم الکتریسیته بدون محدودیت ترمودینامیکی چرخه کارنو جهت تبدیل انرژی شیمیایی حاصل از سوخت به انرژی گرمایی و مکانیکی و در نهایت الکتریسیته است که اتلاف انرژی را به حداقل مقدار ممکن می‌رساند و به بازده تئوری بالایی دست پیدا می‌کند. در پیل‌های سوختی اکسید جامد سرامیکی (اکسید سرامیک) رسانای یون در الکترولیت است و از اهمیت بسزایی برخوردار است. این پیل در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کند و با بازده در حدود ۶۰ درصد، توان الکتریکی معادل ۱۰۰ مگاوات دارد. در حال حاضر تعداد زیادی از محققان روی جنبه‌های مختلف پیل سوختی اکسید جامد، جهت بهبود خواص پیل کار می‌کنند. برای این کار روی خواص الکترودها و الکترولیت که مهم‌ترین قسمت‌های پیل SOFC می‌باشند را بهینه‌سازی می‌کنند و روی عناصر و مواد تشکیل دهنده آن‌ها مطالعه انجام می‌دهند. نحوه عملکرد هر پیل سوختی دارای دو الکترود (آند و کاتد) و یک الکترولیت ما بین این دو الکترود و غشا به منظور جدا کردن دو بخش پیل می‌باشد. در قطب آند، هیدروژن بر روی یک کاتالیزور واکنش داده و تولید دو یون با بار مثبت و دو الکترون با بار منفی می‌کند. H2(g) → 2H+ + 2e- پروتون به وجود آمده از محیط الکترولیت گذر کرده و الکترون در فضای مدار باقی می ماند و باعث ایجاد جریان می شود. O2(g) + 4H+ + 4e- → 2H2O(g) این سل به تنهائی ۰.۷ ولت نیروی محرکهٔ الکتریکی تولید می‌کند که برای روشنایی یک لامپ کوچک کافی است. اگر این پیلها به صورت سری قرار گیرند قادر به تولید برق با توان چندین مگاوات می‌باشند. 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) تاریخچه پیل‌های سوختی تاریخچه این پیل‌ها به دو دوره متمایز تقسیم می‌شود : دوره اول که حدود صد سال طول کشید. از سال ۱۸۳۹ با ساخت اولین پیل سوختی با الکترولیت اسید سولفوریک توسط آقای گرو آغاز گردید. با تلاش دانشمندان بزرگی مانند جکس، هابر، مون و همکاران و شاگردان آن‌ها منجر به درک علمی از پیل سوختی و شناخت تنگناهای این فناوری تا سال ۱۹۴۰ گردید. دوره دوم از سال ۱۹۴۰ آغاز می‌شود که بین سال‌های ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ نمونه‌های تحقیقاتی متعددی از پیل‌های سوختی توسط شرکت‌های بزرگی مانند جنرال الکتریک با ظرفیت۰۲/۰ الی ۱۵ وات ساخته شد. تا اینکه در سال ۱۹۶۵ یک واحد پیل سوختی با ظرفیت یک کیلو وات توسط شرکت جنرال الکتریک به منظور استفاده در ماهواره گمینی۵ ساخته شد و توجه دانشمندان را به خود جلب کرد. این پیل سوختی با ولتاژ ۲۵ ولت و شدت جریان خروجی ۴۰ آمپر توانست در طول ۷ پرتاب ماهواره گمینی ۵، انرژی برابر با ۵۱۹ کیلووات ساعت طی بیش از ۸۴۰ ساعت پرواز را تأمین کند. بدین ترتیب معلوم گردید که پیل‌های سوختی می‌توانند برای بسیاری از مقاصد هوا - فضا مناسب بوده و انرژی مورد نیاز آن‌ها را به صورت پیوسته و پایدار تأمین کنند. این امر موجب شد تا در سراسر جهان روی توسعة دانش فنی و تکنولوژی ساخت پیل‌های سوختی سرمایه‌گذاری‌های بزرگی صورت گیرد. | ## بخش 2: پیل سوختی | امروزه نیز تحقیقات وسیعی در جهت ارتقاء ظرفیت، کاهش هزینه‌های ساخت و بهره‌برداری و توسعه ویژگی‌های کاربردی پیل‌های سوختی در جریان می‌باشد. از پیل‌های سوختی می‌توان برای تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز در مناطقی که دور از شبکه‌های سراسری انتقال و توزیع برق هستند و نیز در ایستگاه‌های ماهواره‌ای و مخابراتی و غیره نیز به‌طور رضایت‌بخشی استفاده کرد. انواع پیل سوختی پیلهای سوختی در انواع زیر موجود می‌باشند: پیل‌های سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آن‌ها به نه نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شوند. پیل‌های سوختی دمای پایین (PEMFC ،PAFC ،AFC) دارای حامل‌های یونیH+ ویا OH- هستند که انتقال یون از میان الکترولیت و انتقال الکترون‌ها از طریق مدار خارجی را به عهده دارند، و در پیل‌های سوختی دمای بالا مانند الکترولیت کربنات مذاب (MCFC) و الکترولیت اکسید جامد (SOFC)، جریان الکتریکی به ترتیب از طریق یون‌هایCO۳۲- و O۲- انتقال می‌یابد. در پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFC) یا سرامیکی رسانش یون در الکترولیت معمولاً در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‌شود. مزایا مزایای پیل‌های سوختی بطور کلی عبارت‌اند از: پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندان سوختهای فسیلی را حذف نموده و تنها محصول جانبی آن آب می‌باشد. در صورتی‌که هیدروژن مصرفی حاصل از الکترولیز آب باشد نشر گازهای گلخانه ای به صفر می‌رسد. به دلیل وابسته نبودن به سوختهای فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی اقتصادی کشورهای ناپایدار اقتصادی را حذف می‌کند. پیل‌های سوختی راندمان بالاتری نسبت به سوختهای فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارد. هیدروژن در هر مکانی از آب و برق تولید می‌گردد؛ لذا پتانسیل تولید سوخت، غیرمتمرکز خواهد شد. انتقال گرما از پیلهای دما پایین بسیار کم می‌باشد لذا آن‌ها برای کاربردهای نظامی مناسب خواهند شد. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفی می‌توان زمان عملکرد را دو برابر نمود و نیازی به دو برابر کردن خود پیل نمی‌باشد. سوخت گیری مجدد پیلهای سوختی به راحتی امکان‌پذیر می‌باشد و هیچگونه اثرات حافظه‌ای بر جای نمی‌گذارد. پیل‌های سوختی ماژولار می‌باشند یعنی براحتی توان تولیدی از آن‌ها قابل افزایش است. ممکن است در مدت طولانی کار، گرما مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی را موجب شود. در صورت استفاده از سوخت ناخالص، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در نهایت مسمومیت پیل می‌گردد. زمینه‌های مختلف استفاده از پیل‌های سوختی ۱: حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایط نقلیه عمومی): چند نمونه اتوبوس هیدروژنی تولید شرکت بالارد از سال ۲۰۰۷ در ویسلر کانادا مورد استفاده قرار گرفته‌اند. سایر شرکت‌های عمده خودروسازی نیز نخستین مدل‌های خودرو هیدروژنی خود را در سالهای ۲۰۱۶ و ۲۰۱۷ به بازار عرضه کردند. ۲: نیروگاه‌ها (نیروگاه‌های متمرکز و غیرمتمرکز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی):پیل‌های سوختی به دلیل آرام و بی صدا بودن برای تولید برق محله‌ای گزینه خوبی محسوب می‌شوند. | ## بخش 3: پیل سوختی | به علاوه کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی این نیروگاه‌ها می‌توان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود. ۳: وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و ...) ۴: صنایع نظامی: پیل‌های سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانک‌ها، زره‌پوش ها و خودروهای نظامی استفاده می‌شوند. نداشتن قطعه متحرک در این نوع پیل‌های سوختی باعث کاهش صدا شده و به دلیل کارکرد در حرارت پایین ردیابی آن‌ها مشکل تر از خودروهایی با موتور درون سوز می‌باشد. بروزترین روش تولید پیل سوختی در حال حاضر، پیل‌های سوختی، شبیه به خودروها تولید می‌شوند؛ یعنی قطعات مختلف آن‌ها به صورت جداگانه ساخته شده و سپس روی هم سوار می‌شوند تا یک پیل سوختی تولید شود. این روند تولید، مراحل بسیار زیادی دارد و در عین هزینه بالای آن، زمان بسیار زیادی صرف تولید آن می‌شود. گروه تحقیقاتی تامپسون با استفاده از فرایند پیشرفته ریزساخت، نسل جدید پیل‌های سوختی را تولید می‌کند. در این فرایند به جای تولید جداگانه پیل سوختی، آن‌ها به صورت لایه لایه ساخته می‌شوند، روشی که هم‌اکنون برای ساخت ابزارهای میکروالکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. پژوهشگران دانشگاه میشیگان امیدوارند با استفاده از این فناوری ارزان قیمت و همچنین استفاده از مواد ارزانتر، قیمت پیل‌های سوختی را از ۱۰ هزار دلار برای هر کیلو وات به ۱۰۰۰ دلار برسانند. مزایای پیل سوختی اکسید جامد به علت عملکرد دمایی بالا دارای بیشترین راندمان نسبت به سایر پیل‌های سوختی می‌باشد. از آنجاییکه پیل سوختی اکسید جامد دارای الکترولیت جامد است مشکل خوردگی مواد کم است. پیل سوختی اساساً وسیله‌ای است که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و...) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل می‌کند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باتری بوده ولی بر خلاف باتری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. پیل‌های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش بسزائی داشته و بخاطر عدم بکارگیری قطعات مکانیکی زیاد، ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی‌نماید. علاوه بر آن سیستم پیل سوختی از کارایی نسبتاً بالائی نسبت به موتورهای احتراق درونی برخوردار است. بحران انرژی در سال‌های ۱۹۷۳ و ۱۹۹۱ و آلودگی فزاینده محیط زیست، کشورهای صنعتی را بر آن داشت تا جهت استفاده از سیستم‌هایی با راندمان بالا و سازگار با محیط زیست سرمایه‌گذاری کلانی نمایند. سیستم‌های پیل سوختی از جمله تکنولوژیهای پیشرفته ایست که مصارف غیرنظامی آن با توانهای میلی وات تا مگا وات موضوع تحقیق شرکت‌های تولید نیرو، خودروسازی و نیز شرکتهای نفتی قرار گرفته‌است. در پیل سوختی(به‌عنوان مثال نوع الکترولیت پلیمر جامد)، هیدروژن از آند و اکسیژن از کاتد وارد می‌شوند. هیدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و به صورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کند. | ## جمع‌بندی | حرکت الکترون از آند به کاتد جریان برق را به وجود می‌آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است .آب حاصل در کاتد می‌تواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد.