بایگانی دسته: انرژی پیل سوختی

انواع پیل سوختی

انواع پیل سوختی و کاربردهای آن

طبقه بندی رایج پیلهای سوختی بر اساس نوع الکترولیت آنها می باشد که عبارتست از :

  • (PEMFC ) پیل سوختی پلیمری
  • (AFC ) پیل سوختی قلیایی
  • (PAFC) پیل سوختی اسید فسفریک
  • (MCFC) پیل سوختی کربنات مذاب
  • (SOFC) پیل سوختی اکسید جامد
  • (DMFC) پیل سوختی متانولی

خلاصه ای از خصوصیات هر کدام از انواع پیلهای سوختی و جدول خصوصیات آنها بشرح ذیل می باشد:

۱. پیل سوختی غشاء پروتون(PEMFC )

پیلهای سوختی غشاء پروتون دارای غشاء پلیمری جامد هستند که در حال حاضر عمدتًا غشاء    Nafion دراین پیل سوختی بکار برده م ی شود و به شکل یک ورقه باریک منعطف است. این غشاء کوچک و سبک بوده و در دمای پایین کار می کند )دمای کارکرد بهینه در حدود ٨٥ درجه سانتیگراد است. ( سایر الکترولیتهای جامد در دمای بالا کار می کنند. شکل زیر یک الکترولیت غشاء پروتون را به ما نشان می دهد.

انرژی هیدروژن 17

برای سرعت بخشیدن به واکنش، یک کاتالیست پلوتونیومی در دو سطح غشاء الکترولیت استفاده می شود که این کاتالیست موجب افزایش قیمت پیل سوختی م ی شود؛ اما بدلیل جامد بودن الکترولیت پیل سوختی وهمچنین انعطاف پذیر بودن این الکترولیت، امکان شکستن یا ترک خوردن در آن کم است و این مشخصه ،پیل سوختیPEMرا برای کاربردهای خانگی و کاربردهای حمل و نقلی مناسب می کند.

در پیل سوختی نوعPEMاتمهای هیدروژن در آند یونیزه می شوند و الکترونهای آنها جدا می شود. یونهای هیدروژن که شامل بار مثبت هستند، به سطح غشاء خلل دار نفوذ می کند و بسمت کاتد می روند؛ الکترونهای جدا شده نمی توانند از این غشاء عبور کنند و از یک مدار خارجی عبور می کنند و موجب تولید برق می شوند. در کاتد الکترونها، پروتونهای هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند. پیل سوختی PEM نیازمند هیدروژن خالص است؛ بنابراین باید از یک رفورمر در خارج از پیل سوختی استفاده کنیم تا احتمال بوجود آمدن CO و در نتیجه مسمومیت کاتالیست را کاهش دهیم

واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بشرح ذیل است :

انرژی هیدروژن 19

مزایا:

  • دمای پایین و شروع بکار سریع
  • عدم حساسیت به دی اکسیدکربن
  • امکان استفاده از گازهای مشتق از هیدروکربن بعنوان سوخت

معایب:

  • حساسیت به مونواکسید کربن
  • بکارگیری فلزات کمیاب در ساختمان پیل
  • پیچیده بودن سیستم مدیریت آب در مجموعه غشاء و الکترود

۲. پیل سوختی قلیایی(AFC)

پیل سوختی قلیایی با هیدروژن و اکسیژن خالص کار می کند و از محلول هیدروکسید پتاسیم در آب بعنوان الکترولیت استفاده می کنند و الکترود آند آن از جنس نیکل و الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده می باشد. درجه حرارت کارکرد این پیل پایین بوده و بین ٦٠ تا ٨٠ درجه سانتیگراد می باشد.

در این پیل سوختی یونهای هیدروکسیل OH از سمت کاتد به آند رفته و در آند گاز هیدروژن با یونهای هیدروکسیل واکنش داده و آب و الکترون را ایجاد می کند. الکترونهای بوجود آمده در آند توسط یک مدارخارجی، توان الکتریکی تولید می کند و از طریق این مدار خارجی، الکترونها به کاتد باز می گردد . الکترونها در کاتد با اکسیژن و آب واکنش م ی دهند و موجب تشکیل یونهای هیدروکسیل بیشتری می شوند. این یونهادرون الکترولیت نفوذ کرده و واکنش ادامه پیدا می کند.

انرژی هیدروژن 26

مزایا:

  • عدم نیاز به فلزات کمیاب
  • بالا بودن راندمان

معایب:

  • حساسیت شدید به دی اکسید کربن
  • لزوم استفاده از هیدروژن خالص

پیل سوختی قلیایی از میزان آلودگی کمی برخوردار است و بخاطر احتمال واکنشهای ناخواسته در این پیل نیاز به هیدروژن خالص شده داریم و در صورتی که هیدروژن خالص نباشد موجب واکنشهای شیمیایی اضافی و ایجاد کربنات جامد می شود که این ماده در واکنشهای پیل سوختی اختلال ایجاد می کند. مشکل دیگر پیل سوختی قلیایی میزان زیاد پلوتونیم است که بعنوان کاتالیست از آن استفاده می شود. این کاتالیست قیمت زیادی دارد و پیل سوختی قلیایی را برای کاربردهای عادی نامناسب می کند و از آنجایی که احتمال نشت الکترولیت مایع نیز ممکن است؛ بنابراین برای کاربردهای حمل و نقلی مناسب نیست . عملکرد یک پیل سوختی قلیایی را در شکل می بینید.

 

انرژی هیدروژن 20

عملکرد یک پیل سوختی قلیایی

۳. پیل سوختی اسید فسفریک(PAFC)

پیل سوختی اسید فسفریک در دمای حدود ١٥٠ تا ٢٠٠ درجه سانتیگراد کار می کند و از الکترولیت اسید فسفریک استفاده می کند و الک ترودهای پیلهای سوختی اسید فسفریک از جنس پلاتین می باشد که بر روی سطح پودر کربن فعال نشانده شده است . در این نوع پیل سوختی از سوختهای بیشتری می توان استفاده کرد .

عملکرد پیل سوختی اسید فسفریک به این ترتیب است که یونهای هیدروژن مثبت توسط الکترود از آند به کاتد می روند و الکترونهای بوجود آمده در آند از طریق یک مدار خارجی عبور می کند و برق تولید می کند و به کاتد برمی گردد. واکنشهای انجام شده در این پیل عبارتست از:

انرژی هیدروژن 21

مزایا:

  • توان تحمل ١ تا ٢ درصد مونواکسید کربن
  • امکان استفاده در مولدهای )تولید همزمان برق و حرارت(
  • ثبات الکترولیت در محیط الکتروشیمیایی
  • سادگی سیستم مدیریت آب و دما

معایب:

  • کم بودن سرعت احیاء اکسیژن
  • H۲Sحساسیت به

 

انرژی هیدروژن 22

عملکرد یک پیل سوختی اسیدفسفریک

در کاتد الکترونها، یونهای هیدروژن و اکسیژن آب بوجود می آورند که با فشار به بیرون پیل سوختی هدایت می شود. با وجود کاتالیست پلوتنیم سرعت واکنشها بالا می رود.از مزایای پیل سوختی اسید فسفریک می توان به توان تحمل پیل سوختی در قبال میزان کمی از مونوکسید کربن و همین طور توانایی تحمل دمای بالای دمای جوش آب را دارد . این پیل سوختی اجزایی با مقاومت بالا باید داشته باشد تا در مقابل خورندگی اسید مقاومت کند. هیدروژن مورد نیاز برای PAFC می تواند یک Reformer خارجی از یک سوخت هیدروکربنی بوجود بیاید در صورتی که سوخت مورد نظر گازوئیل باشد، سولفور آن باید جدا شود . زیرا سولفور به کاتالیست الکترودها صدمه می زند. می توان از گرمای بوجود آمده درPAFC ها در کاربرد ترکیبی گرما و برق استفاده کرد. عملکرد یک پیل سوختی اسید فسفریک را در شکل می بینید.

۴. پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)

در پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)الکترولیت ترکیب ٣٢ % درصد کربنات پتاسیم و ٦٨ % درصد کربنات لیتیم می باشد. الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده و الکترود آند از جنس آلیاژ نیکل  کروم(٢ تا ١٠ درصد کروم ) است. درجه حرارت کارکرد ٦٥٠ درجه سانتیگراد و جزء پیلهای سوختی با دمای کارکرد بالا بشمار می آید. در آند، هیدروژن با این یونها واکنش می دهد و دی اکسیدکربن، آب و الکترون تشکیل می دهد. الکترونها توسط یک مدار خارجی از آند به کاتد منتقل می شود و برق تولید می کند. اکسیژن هوا، دی اکسیدکربن بازیافت شده از آند با الکترونها واکنش داده و یونهای CO۳۲ را بوجود می آورد والکترولیت را سرشار از یونها CO۳۲می کند.

انرژی هیدروژن 23

مزایا:

  • امکان بکارگیری در مولدهای دو منظوره
  • عدم استفاده از کاتالیست گران قیمت
  • راندمان بالا

معایب:

  • حساسیت زیاد به سولفور
  • حل شدن اکسید نیکل
  • احتیاج به چرخه دی اکسید کربن

 

پیل سوختی کربنات مذاب، (MCFC) دما بالا می توانند هیدروژن را از سوختهای مختلف توسط رفورمرداخلی یا خارجی استخراج کند؛ بعلاوه حساسیت کمتری نسبت به مسمومیت مونوکسیدکربن دارند.

MCFC ها با کاتالیستهای نیکلی بسیار خوب کار می کنند و کاتالیستهای نیکلی ارزانتر،پلوتینم هستند .

از گرمای خروجی پیل سوختی می توان برای کارهای صنعتی استفاده نمود.

 

انرژی هیدروژن 24

عملکرد پیل سوختی کربنات مذاب

پیل سوختی کربنات در مقا یسه با پیل سوختی اکسید جامد دارای دو مشکل است؛ یکی از این مشکلات پیچیدگی کار با الکترولیت مایع است و دومین مشکل باقیمانده های واکنش شیمیایی در پیل سوختی کربنات مذاب است . یونهای کربنات الکترولیت در واکنشهای آند استفاده می شوند؛ بنابراین نیاز داریم که توسط تزریق دی اکسید کربن در کاتد، این مقدار را جبران کنیم.

۵. پیل سوختی اکسید جامد(SOFC)

پیل سوختی اکسید جامد(SOFC) از یک الکترولیت سرامیکی ( ترکیبی از زیرکنا(Zr) و ایتریا (Y) با فرمول.Zr۰,۹۲Y۰.۰۸O۱,۹۶  می باشد)بجای یک الکترولیت مایع استفاده می کند. الکترود آند ملغمه ای از نيکل وزیرکنیا و الکترود کاتد از جنس منگنیت لانتانیم است . درجه حرارت کارکرد پیل ٧٠٠ الی ١٠٠٠ درجه سانتیگراد می باشد. الکترولیت جامد با الکترودها که از مواد متخلخل مخصوصی تشکیل شده اند، پوشانده شده اند . در دمای بالای عملکرد پیل سوختیSOFC، یونهای اکسیژن)با بارمنفی ( از شبکه کریستالی عبور می کند . وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یونهای اکسیژن از الکترولیت عبور می کند تا سوخت را اکسید کنند . اکسیژن ذخیره شده در کاتد معمولا ً از هواگرفته می شود. الکترونهای ایجاد شده در آند از یک بار خارجی (مدار خارجی ) عبور کرده و به کاتد می رود.

با این کار یک مدار الکترویکی کامل می شود و انرژی برق تولید می شود. پیلهای سوختی نوع اکسید جامدSOFC  نیاز به رفورمر خارجی ندارند. عملکرد کلی پیل سوختی اکسید جامد را می توان در شکل زیر دید

 

انرژی هیدروژن 25

عملکرد پیل سوختی اکسید جامد

 

 

واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بصورت زیر می باشد:

انرژی هیدروژن 26

مزایا:

  • عدم حساسیت به مونواکسیدکربن
  • قابلیت مصرف سوختهای گوناگون
  • عدم نیاز به هیدروژن خالص
  • بالا بودن راندمان سیستم
  • عدم نیاز به سوخت مجزا
  • امکان استفاده مستقیم از گاز طبیعی بعنوان سوخت
  • قابل استفاده در مولدهای دو منظوره
  • عدم استفاده از الکترولیت مایع
  • عدم استفاده از فلزات گران قیمت و کمیاب در ساخت

معایب:

  • طولانی بودن زمان شروع به کار
  • تشدید خوردگی و خرابی اجزاء بعلت کارکرد در دمای بالا
  • گران قیمت بودن بعضی از اجزاء

۶. پیل سوختی متانولی (DMFC)

پیل سوختی متانولی در حقیقت یک پیل سوختی پلیمری است که قادر است متانول مایع را مستقیمًا بعنوان سوخت مصرف کند ؛ از اینرو الکترولیت آن مانند پیل سوختی پلیمری غشاء پلیمری (عمدتًا (Nafion می باشد . الکترود آند از جنس آلیاژ پلاتین  روتینیوم (Pt-Ru) و الکترود کاتد آن از جنس پلاتین است . این پیل سوختی در محدوده وسیعی از درجه حرارت کار می کند و دمای کارکرد آن بین٦٠ تا ١٢٠ درجه سانتیگراداست. واکنشهای انجام شده در الکترودهای این پیل سوختی عبارتند از:

انرژی هیدروژن 27

مزایا:

  • قابلیت استفاده از متانول مایع بعنوان سوخت
  • چگالی قدرت بالا
  • دما و فشار عملکردی پایین
  • سادگی ساختار و مدیریت حرارت پیل
  • ضریب اطمینان بالای سیستم
  • حذف سیستم مبدل سوخت
  • حذف سیستم پیچیده مدیریت آب و حرارت(بعلت همراه بودن سوخت با آب)
  • کاهش قابل ملاحظه وزن وحجم

معایب:

  • عبور متانول از غشاء و در نتیجه افت ولتاژ کلی پیل و به هدر رفتن سوخت
  • پایین بودن عملکرد در مقایسه با دیگر پیلها
  • استفاده از پلاتین در ساختار پیل
  • پایین بودن فعالیت کاتالیست Pt-Ru  در آند

در جدول زیر انواع پیلهای سوختی با خصوصیات مورد نظر آنها به منظور مقایسه آورده شده است:

انرژی هیدروژن 28

 منبع:satba.gov.ir

سند ملی توسعه پیل سوختی

تشکیل کمیته راهبری پیل سوختی و سند ملی توسعه پیل سوختی

در دیماه 1380 با پیگیری وزارت نیرو و دفتر همکاریهای فناوریهای ریاست جمهوری، میز گرد تعیین راهکار های تحقیق و توسعه فناوری پیل سوختی در کشور برگزار گردید . بر اساس نتایج این میزگرد ضرورت ایجاد اجماع مابین فعالان این حوزه در کشور و تشکیل کمیته راهبری پیل سوختی مورد تایید قرار گرفت . بنابراین به طور خلاصه می توان گفت که به دلایل زیر کمیته راهبری پیل سوختی تشکیل شد :

  • بررسی اهمیت فناوری پیل سوختی در کشور و تعیین نحوه برخورد کشور با آن
  • تعیین اولویتهای تحقیقاتی ،پژوهشی و اجرایی در حوزه فناوریهای پیل سوختی
  • جلوگیری از فعالیتهای موازی و ارائه اهداف کمی و کیفی مشخص در این خصوص
  • تعیین راهکارهای اجرایی توسعه پیل سوختی در کشور

اعضاء کمیته راهبری پیل سوختی عبارتند از :

وزارت نیرو ،دفتر همکاریهای فناوری ریاست جمهوری،وزارت صنایع ومعادن ،وزارت علوم ،تحقیقات و فناوری ،وزارت نفت، سازمان مدیریت و برنامه ریزی ،سازمان حفاظت محیط زیست ، نمایندگان بخش خصوصی (ایران خودرو،سایپا و )و مشاورین و خبرگان 

هدف این کمیته مطالعات تحلیل جذابیت فناوری پیل سوختی و تدوین استراتژی توسعه آن در کشور بود که در 3 مرحله برنامه ریزی شد

مرحله اول: مطالعات جذابیت پیل سوختی برای کشور (ارزیابی جذابیت پیل سوختی)

مرحله دوم : تدوین استراتژی توسعه تکنولوژی پیل سوختی در کشور .

در این مرحله لازم است که دو مسئله مشخص شود :  

  1-  تعیین اولویتهای سرمایه گذاری در حوزه پیل سوختی
2-  تعیین روش اکتساب تکنولوژیهای منتخب (استراتژیک)

مرحله سوم : ارائه راهکارهای پیاده سازی جهت تحقق استراتژیها ، برای این منظور لازم است که تعیین شود که گامهای پیاده سازی توسعه تکنولوژی پیل سوختی چیست  ثانیا نقش دولت ،مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی و صنعت چیست .

برای  هریک از این مراحل متدولوژیهای خاص درنظر گرفته شد بطوریکه بتوان به نتایج مطلوب که راهگشای توسعه این فناوری در عرصه فنی و اقتصادی در کشورمی باشد، دست یافت  .

ولی آنچه که بنظر می رسد از اقدامات ضروری برای توسعه فناوری پیل سوختی در کشور می باشد و از اولین گامها است عبارتند از :

  • تصویب سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی کشور در هیات دولت
  • تشکیل ستاد توسعه فناوری پیل سوختی
  • تخصیص منابع مالی لازم برای اجرای سند بر اساس پیش بینی صورت گرفته در برنامه ریزی عملیاتی
  • تعیین و انتخاب فناوری پیل سوختی به عنوان یکی از فناوریهای کلیدی کشور در بخش انرژی شورای عالی علوم و تحقیقات و فناوری

اولین گام تصویب سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی کشور بود که  پس از طرح و بررسی در کمیسیون زیربنایی هیات دولت در تاریخ 3/4/86 در هیات محترم دولت نهم، طرح و به تصویب رسید.

فهرست مفاد این سند عبارت بود از :

  • مقدمه و چشم انداز سند
  • اهداف کلان
  • سیاستهای کلان
  • راهبردها
  • اقدامات
  • ترتیبات اجرایی و شرح وظایف ارکان اجرایی

برای توضیح بهتر هر یک از بندهای این مفاد می توان به فایل pdf این سند مراجعه کرد .

 

 دریافت فایل pdf سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی (pdf13.5mb )

منبع : سازمان انرژی های نو ایران

تاریخچه پیل سوختی

پیل سوختی چیست ؟

پیل سوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیمًا به ا نرژی الکتریکی تبدیل می کند. در آند پیل سوختی پلیمری واکنش اکسیداسیون انجام می گردد و الکترون تولید شده واردمدار خارجی شده و سپس به کاتد وارد می شود. یون مثبت تولیدی در آند با عبور از غشاء (الکترولیت) به قسمت کاتد رفته و در حضور کاتالیزور با اکسیژن هوا و ا لکترونی که از مدار خارجی به قسمت کاتد واردشده است به آب تبدیل می گردد.

 

 تاریخچه پیل سوختی 

اگر چه پیل‌سوختی به تازگی به عنوان یکی از راهکارهای تولید انرژی الکتریکی مطرح شده است ولی تاریخچه آن به قرن نوزدهم و کار 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 کار 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 بیکن از دانشگاه کمبریج انجام شد. او در سال 1932 بر روی ماشین ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسیاری انجام داد. این اصلاحات شامل جایگزینی کاتالیست گرانقیمت پلاتین با نیکل و همچنین استفاده از هیدروکسیدپتاسیم قلیایی به جای اسید سولفوریک به دلیل مزیت عدم خورندگی آن می‌باشد. این اختراع که اولین پیل‌سوختی قلیایی بود، “Bacon Cell” نامیده شد. او 27 سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیل‌سوختی کامل وکارا ارائه نماید. بیکون در سال 1959 پیل‌سوختی با توان 5 کیلووات را تولید نمود که می‌توانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری 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. مرکز 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 ریسک بالا) پیل‌سوختی را انتخاب نمود.
تحقیقات در این زمینه به ساخت پیل‌سوختی پلیمری توسط شرکت جنرال الکتریک منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضایی Gemini استفاده نمود که اولین کاربرد تجاری پیل‌سوختی بود.
پرت و ویتنی دو سازنده موتور هواپیما پیل‌سوختی قلیایی بیکن را به منظور کاهش وزن و افزایش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضایی آپولو به کار بردند. در هر دو پروژه پیل‌سوختی بعنوان منبع انرژی الکتریکی برای فضاپیما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پیل‌های سوختی برای فضانوردان آب آشامیدنی نیز تولید می‌کرد. پس از کاربرد پیل‌های سوختی در این پروژه‌ها، دولت‌ها و شرکت‌ها به این فن‌آوری جدید به عنوان منبع مناسبی برای تولید انرژی پاک 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 امریکا 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 کاهش هزینه استوار بود. همچنین اولین محصول تجاری جهت تامین نیرو محرکه خودرو در سال1993 توسط شرکت بلارد ارائه شد.

 تاریخچه پیل‌سوختی قلیایی

فرانسیس بیکن آزمایشات خود در زمینه الکترولیت قلیائی را در اواخر سال 1930 آغاز نمود و هیدروکسیدپتاسیم جایگزین الکترولیت اسیدسولفوریک که به تازگی توسط گرو کشف شده بود، گردید. هیدروکسیدپتاسیم کارایی مشابه اسید سولفوریک دارد ولی خورنده الکترودها نمی باشد. پیل بیکن همچنین از الکترودهای نفوذ گاز متخلخل تشکیل شده بود. الکترودهای متخلخل، مساحت سطح را افزایش داده موجب واکنش بین الکترود، الکترولیت و سوخت می‌گردد. همچنین بیکن گازهای فشرده را جهت جلوگیری از پدیده طغیان به کار برد. پس از گذشت 12 سال، بیکن جهت ارائه پیل سوختی قلیائی در مقیاس بزرگ پیشرفت کافی ایجاد نمود.
در سال 1959 Allis-Chalmers یک تراکتور پیل سوختی ارائه نمود که توان سری پیل سوختی آن 15000 وات و متشکل از 1008 تک سل بود. این تراکتور قادر به کشیدن وزن 3000 پوند بود. Allice-Chalmer، برنامه‌های تحقیقاتی خود را با ساخت کامیون گلف، زیردریایی و جرثقیل ادامه داد. سازمان نیروی هوایی امریکا در این برنامه‌ها مشارکت داشت.
شرکت Union Carbide در اواخر دهه1950 و 1960 آزمایشاتی را بر روی پیل‌های سوختی قلیایی انجام داد. آنها پیل‌های ‌سوختی با الکترود نفوذ گاز از جنس کربن را در دستگاه رادار برای ارتش امریکا و به عنوان نیرومحرکه موتورسیکلت‌ به کار گرفتند. در همان زمان ادوارد جاستی از آلمان الکترودهای نفوذ‌کننده گاز از جنس نیکل اسفنجی که بر روی ماتریس نیکل‌کربونیل نگهداری می‌شدند را ارائه نمود.
در اوایل سال 1960 سازنده‌های موتورهای هواپیمای Pratt و سازمان Whitney، ارائه دهنده گواهینامه به اختراعات بیکن و سازمان بین‌المللی هوانوردی و مدیریت فضا (ناسا) قرار ساخت آپولو فضاپیما با پیل‌سوختی قلیائی را بستند.
پیل‌های‌سوختی قلیائی با چالش‌هایی روبرو هستند از جمله: نیاز به هیدروژن خالص و کاتالیست گران قیمت پلاتین دارند و از طرف دیگر پیل‌های‌سوختی رقابت سختی با انواع دیگر پیل‌های‌سوختی در پیش‌رو دارند.
فعالیت تحقیقاتی دکتر فرانسیس بیکن نقش مهمی در گسترش و ارائه پیل‌های سوختی قلیایی داشته است. بیکن (Bacon) کار تحقیقاتی خود را در این زمینه از سال 1932 آغاز کرد و ساخت یک مولد 5 کیلوواتی از پیل‌سوختی قلیایی را به همراه ارزیابی کارایی این پیل در سال 1952 به پایان رساند.
در آلمان بیشترین تلاش‌ها در زمینه پیل‌سوختی قلیایی توسط دو شرکت زیمنس (siemens) و وارتا (Varta) انجام شد. در این شرکت‌ها علاوه بر پیل‌سوختی قلیایی تلاش برای تولید پیل‌های‌سوختی دیگر با الکترولیت‌های متفاوت نیز انجام می‌شد. هر دو شرکت بر روی پیل‌سوختی با سوخت هیدرازین و متانول کار می‌کردند که پس از چند سال کار بر روی این سوخت‌ها، تلاش‌ها در این زمینه‌ها متوقف شد.
در اوائل دهه 1970 شرکت زیمنس (siemens) پیل‌سوختی قلیایی با سوخت (H2-O2) را به عنوان زمینه مناسب برای فعالیتهای‌ بعدی انتخاب کرد. الکترود مورد استفاده در این پیل از فلزات کمیاب و گرانقیمت نبود. الکترودها عبارت بودند از رانی نیکل (آلیاژ نیکل و آلومینیم در آند و نقره در کاتد). کار بر روی این نوع پیل‌سوختی در شرکت زیمنس ادامه پیدا کرد تا اینکه در نیمه‌های دهه هفتاد، یک واحد 6 کیلووات پیل‌سوختی قلیایی با طراحی مهندسی قابل توجه جهت کاهش حجم ارائه شد. وزن این واحد 85 کیلوگرم و توان و ولتاژ تولیدی آن 6 کیلووات در 48 ولت بود.
در ایالات متحده شرکت UTC مولد پیل‌سوختی 7 کیلووات را جهت کاربری در سفینه‌های فضایی و ماهواره‌ها تولید نمود. از دهه هفتاد تا کنون این نوع پیل‌سوختی برق و آب مورد نیاز برای سفینه های فضایی را تامین می‌کند.

تاریخچه پیل‌سوختی اسید فسفریک (PAFC) 

استفاده از اسید به عنوان الکترولیت از سال 1842 توسط گرو آغاز شد. او از اسید سولفوریک استفاده کرد، اما اسید فسفریک یک رسانای ضعیف الکتریسیته بوده و جذاب نبود. بنابراین PAFCنسبت به سایر انواع پیل‌سوختی آهسته‌تر توسعه یافتند. در سال 1961، المر و تانر در مقاله‌ای به نام پیل‌های‌سوختی با دمای میانی موفقیت‌های تازه‌ای را منتشر ساختند. آنها تشریح نمودند که در آزمایشاتشان از الکترولیتی استفاده کردند که 35 درصد اسیدفسفریک و 65 درصد پودر سیلیکای چسبیده شده به یک واشر تفلونی دارد. آنها اذعان نمودند که بر خلاف اسیدسولفوریک، اسیدفسفریک تحت شرایط عملیاتی پایداری خود را به لحاظ الکتروشیمی از دست نمی‌دهد.
مهمترین فعالیت‌ها در زمینه تولید پیل‌سوختی اسید فسفریک در اواخر دهه 1960 تحت نام پروژهTARGET توسط گروهی متشکل از متخصصین صنایع برق و گاز آغاز شد. هدف اصلی از این برنامه گسترش نیروگاه‌های تولید توامان برق و حرارت جهت مصارف خانگی و کوچک بود. پیل‌سوختی اسید فسفریک به دلیل عدم حساسیت به CO2 در این زمینه مورد استفاده قرار گرفت.
تعداد 65 مولد پیل‌سوختی اسید فسفریک با سوخت گاز طبیعی توسط شرکت‌های سازنده موتور هواپیما Patt و شرکت Whitney و با همکاری شرکت گاز آمریکا در فاصله زمانی 83-1969 در آمریکا، کانادا و ژاپن، نصب و راه اندازی گردید. توان این واحدها از 15 کیلووات در سال 1969 به 5 مگاوات در سال 1983 رسید.
همچنین آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس مطالعات پیل‌سوختی را آغاز نمود و با هدف ساخت خودروی برقی یک خودروی گلف را با پیل‌سوختی اسیدفسفریک ارائه نمود.
افزایش میزان تحقیقات به منظور پاسخ دادن به نیازهای تجاری در زمینه تولید تجاری پیل‌های سوختی بوده و فعالیت های زیردر جهت پیشرفت پیل‌سوختی اسید فسفریک به منظور دستیابی به بازارهای تجاری انجام شد:
1. تولید، نصب و راه اندازی 48 واحد نیروگاه 40 کیلووات پیل‌سوختی اسید فسفریک به منظور تولید همزمان برق و حرارت از سال 1976. این پروژه با حمایت GRI و DOE انجام شد.
2. نصب نیروگاه‌های 1 مگاوات و 5/4 مگاوات جهت تولید انرژی الکتریکی توسط شرکت UTC. همچنین نصب 245 واحد PC25 با توان 200 کیلووات را از سال 1990 به فروش رسانید.
3. فعالیتهای تحقیقاتی توسط شرکت‌های Westinghouse و Engelhard در زمینه توسعه نیروگاه‌های پیل‌سوختی اسید فسفریک (PAFC) با سیستم خنک کننده هوا یا روغن.
بحران انرژی در سال 1973 سبب افزایش فعالیت ها در زمینه احداث نیروگاه‌های پیل‌سوختی اسید فسفریک شد. این پیشرفت‌ها نه تنها در ایالات متحده بلکه در ژاپن هم مشاهده شد.
در ژاپن برنامه Moonlight با پشتیبانی دولت ژاپن، به توسعه فن‌آوری‌هایی با مصرف بهینه انرژی پرداخت. این برنامه‌ها شامل ساخت و نصب دو نیروگاه یک مگاوات از پیل‌سوختی اسید فسفریک می‌شد.

 

تاریخچه پیل‌سوختی کربنات مذاب (MCFC) 

تاریخچه توسعه فن‌آوری پیل‌های سوختی اکسید جامد وکربنات مذاب در یک مسیر قرار داشتند تا اینکه در دهه 1950 مسیر تحقیقات در رابطه با این دو نوع پیل‌سوختی از یکدیگر جدا شد. در دهه 1930 در کشور سوئیس Emil Baur و H. Preis آزمایشاتی را با الکترولیت اکسید‌جامد در دمای بالا انجام دادند و با مشکلاتی از قبیل هدایت الکتریکی و واکنش‌های جانبی ناخواسته روبرو شدند. واکنش‌های جانبی از قبیل واکنش الکترولیت با گاز مونوکسیدکربن و گازهای واکنش‌گر بودند.
در انتهای دهه1950 دانشمندان آلمانی Broers و Ketelaar بر پایه تجربیات قبلی و تجربه غیر موفق الکترولیت اکسید جامد، توجه خود را بر روی الکترولیت نمک‌های ‌کربنات مذاب متمرکز کردند.
کار با الکترولیت‌های کربنات مذاب راحتتر بوده و نیازی به فرآیندهای پیچیده تولید پیل‌سوختی اکسید جامد وجود نداشت. با توجه به دمای بالای کارکرد این نوع پیل‌سوختی و مزایای متعدد آن بحث نیروگاهی این نوع پیل‌سوختی مورد توجه قرار گرفته است.
در سال 1960 بروئرس (Broers)و کتیلار (Ketelaar) گزارش کردند که موفق به ساخت یک تک سل شده‌اند که در ساخت آن از الکترولیت کربنات مذاب با مخلوط کربنات‌های لیتیم، سدیم و پتاسیم توزیع شده در بستر اکسید منیزیم استفاده شده است این تک سل به مدت 6 ماه کارکرد داشته است. با این وجود Broers و Ketelaar متوجه شدند که یون کربنات با گذشت زمان با اجزای سل وارد واکنش شده و مصرف می‌شود.
تقریباً در همین زمان دکتر فرانسیس بیکن از الکترولیت کربنات مذاب بدون استفاده از بستر، جهت ساخت پیل‌سوختی کربنات مذاب استفاده کرد و در نهایت تحقیقات دو گروه فوق بر روی الکترولیت با ساختار خمیر مانند متمرکز شد.
در نیمه‌های دهه 1960 مرکز تحقیقات و گسترش وسایل قابل حمل ارتش ایالات متحده (MERDC) پیل‌سوختی کربنات مذاب ساخته شده توسطTexas Instrument را مورد آزمایش قرار داد. محدودة توان این پیل‌های ‌سوختی بین 100 تا 1000 وات بود. این پیل‌های ‌سوختی مجهز به مبدل سوخت خارجی بوده و با سوخت بنزین کار می‌کردند.
تاریخچه پیل‌سوختی اکسید جامد (SOFC) 

در سال 1899 اولین اکسید جامد با خاصیت هدایت یونی توسط نرنست با فرمول (ZrO2)0.85 (Y2O3)0.15 ساخته شد. درسال 1937 بار و پریس این مواد را برای ساخت اولین پیل‌سوختی اکسید جامد مورد استفاده قرار دادند. آند در این پیل‌سوختی از جنس کک و کاتد از جنس اکسید آهن بود و دمای کارکرد این پیل‌سوختی1050 درجه سانتیگراد و گازهای واکنش دهنده در این پیل‌سوختی هیدروژن و هوا بودند. دانسیته جریان 1 و ولتاژ تولیدی سل mV 650 بود.
در تحقیقات بعدی ویسبارت و روکا پیل‌سوختی اکسید جامدی را تهیه کردند که در آن زیرکونیا پایدار شده توسط کلسیم به عنوان الکترولیت استفاده شده بود. در این نوع پیل‌سوختی هیدروژن و هیدروکربن‌ها به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گرفتند. مقاومت لایه ضخیم الکترولیت، ولتاژ خروجی را محدود می‌کرد.
در سال 1940 شرکت روسی Davtyan از ترکیب شن مونازیت با کربنات سدیم، تری اکسید تنگستن به منظور افزایش هدایت‌پذیری و مقاومت مکانیکی استفاده نمودند.
اولین سری پیل‌سوختی اکسید جامد (SOFC) توسط آرچر و همکارانش در سال 1965 تولید شد. توان این پیل 100 وات و الکترولیت آن زیر‌کونیای پایدار شده توسط کلسیم بود و الکترودها از جنس پلاتین سینتر شده بودند. الکترودهای گران قیمت پلاتین که در ابتدا در این نوع پیل‌سوختی مورد استفاده قرار می‌گرفت، با الکترودهایی از جنس سرمیت (مخلوط سرامیک و فلز) نیکل و زیرکونیا جایگزین شدند. الکترودهایی از جنس اکسیدهای فلزی هادی الکتریسته نیز مورد آزمایش و بررسی قرار گرفتند.
در اواخر سال 1950، تحقیقات در زمینه فن‌آوری اکسید جامد در سازمان مرکز صنعتی در Hague، هلند و اتحادیه شرکت‌های ذغال سنگ در پنسیلوانیا و جنرال الکتریک روند پرشتابی را آغاز کرد.
شرکت وستینگهاوس در سال 1962 از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم استفاده نمود. امروزه در حدود 40 شرکت در زمینه پیل‌سوختی اکسیدجامد به تحقیق و توسعه مشغول هستند.

 

 

تاریخچه پیل‌سوختی پلیمری

فن‌آوری پیل‌سوختی پلیمری در سال1960در شرکت جنرال الکتریک توسط T. Grubb و L. Niedrach ابداع شد. اولین موفقیت جنرال الکتریک در تولید پیل سوختی پلیمری در اواسط دهه1960 در پی همکاری این شرکت با U.S. Navy’s Bureau of Ship وU.S. Army Signal Corp. به منظور ساخت مولدهای کوچک برق بود. این مولدها با سوخت هیدروژن تولیدی از ترکیب آب و هیدرید لیتیم تغذیه می شود. پیل‌سوختی تهیه شده کوچک و قابل حمل بود و در آن از کاتالیست گران قیمت پلاتین استفاده شده بود.
تکنولوژی پیل‌سوختی پلیمری در پروژه جمینی ناسا نیز مورد استفاده قرار گرفت. در برنامه‌های فضایی Mercury از باطری‌ به عنوان منابع تامین انرژی استفاده شد ولی برای پروژه آپولو نیاز به وسیله‌ای با طول عمر بیشتر بود. لذا برای این منظور پیل‌های سوختی پلیمری ساخت شرکت جنرال الکتریک مورد تست و آزمایش قرار گرفت. ولی مدل های اولیه پیل‌سوختی پلیمری(PB2) با برخی مشکلات از قبیل نشت اکسیژن از میان غشاء و اثر آلوده کننده ها بر روی عملکرد سل و طول عمر پائین غشاء مواجه ‌شد. از اینرو جنرال الکتریک پیل‌سوختی خود را مورد باز بینی قرار داد و مدل P3 را تولید کرد و با وجود کارکرد ضعیف آن در Gemini5 مورد استفاده قرار گرفت. ناسا در پروازهای فضایی بعدی خود از پیل سوختی قلیایی استفاده نمود.
شرکت جنرال الکتریک فعالیت خود را در دهه 1970 با توسعه فنآوری الکترولیز جهت تجهیزات زیر دریایی با حمایت واحد تولید اکسیژن نیروی دریایی امریکا آغاز نمود. ناوگان انگلیسی Royal در اوایل دهه 1980 این فن آوری را برای ناوگان زیر دریایی خود پذیرفت.
در اوایل دهه1990 سایر گروه ها نیز تحقیقات در این زمینه را آغاز نمودند. آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و دانشگاه A&M روش هایی را جهت کاهش میزان کاتالیست مورد نیاز آزمایش نمودند.

 

 

تاریخچه پیل‌سوختی متانولی

پیل‌سوختی متانولی جدیدترین فن‌آوری پیل‌سوختی در دهه اخیر است. در سال 1995 پیشرفتهای قابل توجهی در زمینه فن‌آوری پیل‌سوختی متانولی در مقیاس بزرگ در آمریکا آغاز شد.
مطالعات اولیه در JPL (1997)، و در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس(2000) و در دانشگاه ایالتی Penn (2001) انجام شد. درحال حاضر در اغلب مراکز تحقیقاتی و بیشتر شرکت‌های پیل‌سوختی از جمله موتورلا، هیتاچی و توشیبا تحقیق و توسعه برروی پیل‌سوختی متانولی در حال اجرا می‌باشد.

 

پیل سوختی میکروبی

در پایان قرن اخیر، ایده استفاده از پیل‌های میکروبی در تلاش برای تولید الکتریسیته ارائه شد. به گونه‌ای که M.C. Potter پروفسور گیاه‌شناسی در دانشگاه Durham، اولین کسی بود که در سال 1911 کار بر روی آن را آغاز نمود. Potter قصد تولید الکتریسیته از E. coli را داشت. در سال 1931، Branet Cohen با ایجاد تعدادی پیل‌سوختی میکروبی نیمه که به صورت سری به یکدیگر متصل شده بودند و ظرفیت تولید بیش از 35 ولت تنها با 2 میلی‌آمپر جریان را داشتند. کار وی را ادامه داد. فعالیت بیشتر در این زمینه توسط DelDuca و همکاران صورت گرفت. آن‌ها از هیدروژن تولید شده توسط تخمیر گلوکز با Clostridium butyricum که به عنوان ماده واکنش دهنده در آند پیل‌سوختی هوایی و هیدروژن قرار داشت، استفاده نمود. متأسفانه با وجود آن‌که پیل کار نمود، به دلیل طبیعت ناپایدار تولید هیدروژن از طریق میکروارگانیسم‌ها غیرقابل اطمینان بود. اگرچه این مسئله در ادامه توسط سوزوکی و همکاران در سال 1976 حل شد).
حتی با گذشت زمان از کار سوزوکی جزئیات کمی از چگونگی عملکرد پیل‌سوختی میکروبی بدست آمد تا این‌که بررسی بیشتر توسط MJ Allen و در ادامه توسط H. Peter Benetto هر دو از King College لندن، صورت گرفت. Bennetto پیل‌سوختی را به عنوان یک روش برای تولید الکتریسینه برای کشورهای جهان سوم مدنظر قرار داد. او کار خود را در اوایل دهه 1980 شروع و به فهم چگونگی عملکرد پیل‌های‌سوختی کمک شایان توجهی نمود.
هم‌اکنون یافته‌ها حاکی از آن است که الکتریسیته می‌تواند مستقیماً از تجزیه مواد آلی در یک پیل‌سوختی میکروبی تولید شود، اگرچه مکانیسم دقیق فرآیند هنوز باید به درستی مشخص گردد. همانند یک پیل‌سوختی معمولی، یک MFC نیز دارای محفظه کاتدی و آندی دقیق فرآیند می‌باشد، به‌گونه‌ای که محفظه آندی غیر هوازی از درون به محفظه کاتدی توسط یک غشاء تبادل یونی متصل شده است و مدار به کمک یک سیم خارجی کامل می‌شود.
ددر ماه می سال 2007، دانشگاه Queen Sland در استرالیا، نمونه آزمایشی MFC خود را به صورت یک پروژه مشترک با شرکت Fosters Brewing، تکمیل نمود. این نمونه آزمایشی، با حجم 10 لیتر، فاضلاب کارخانه تخمیر را به دی‌اکسیدکربن، آب تمیز و الکتریسیته تبدیل می‌نمود. با انجام موفقیت‌آمیز این نمونه آزمایشی، طرح‌هایی برای تولید پیاپی 660 گالنی ریخته شد تا میزان تقریبی 2 کیلووات انرژی را تأمین نماید. اگرچه مقدار انرژی تولیدی قابل چشم‌پوشی است، تولید آب تمیز برای استرالیا از درجه اهمیت بالاتری برخوردار بود.

 

منبع : سازمان انرژی های نو ایران