فناوری نانو یک فناوری نوین است که این روز ها در بسیاری از علوم و صنایع پیشگام شده و همچنان  پیشرو است و این فناوری در شاخه محیط زیست بازخورد زیادی داشته است از جمله در تکنولوژی های مربوط به کاهش آلودگی و جلوگیری از تخریب محیط زیست به سزایی داشته است. در میان فناوری ها پیل سوختی یک جهش خوب داشته است به خصوص در شاخه نانو فناروری ابتدا به معرفی آن میپردازیم و بعد مبحثی جدد که توسط محققان دانشگاه امیرکبیر به دست آمده است.

پیل سوختی (به انگلیسی: Fuel cell) یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است. این تبدیل مستقیم بوده و از بازدهٔ بالایی برخوردار است. معروف ترین نوع پیل سوختی در حال حاضر پیل سوختی هیدروژنی است. انواع دیگر پیل سوختی مانند پیل سوختی متانول نیز کاربردهای خاصی دارند. 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. هر سلول در پیلهای سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت و غشا تشکیل شده‌است.

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 می‌باشد که اتلاف انرژی را به حداقل مقدار ممکن می‌رساند و به بازده تئوری بالایی دست پیدا می‌کنیم. 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 بهینه سازی 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 یک یون با بار مثبت و الکترون با بار منفی می‌کند. پروتون به وجود آمده از محیط الکترولیت گذر کرده حال آنکه الکترون در فضای مدار حرکت می‌کند و تولید جریان مینماید. در قطب کاتد اکسیژن با یون و الکترون واکنش نشان داده و تولید آب و حرارت مینماید. این سلول به تنهائی ۰.۷ ولت نیروی محرکهٔ الکتریکی تولید می‌کند که برای روشنایی یک لامپ کوچک کافی می‌باشد. اگر این پیلها به صورت سری قرار گیرند قادر به تولید برق با توان چندین مگاوات میباشند.^[۱] طرز کار پیل سوختی هیدروژنی به شکل انیمیشن در این مرجع نشان داده شده است.^[۲]

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 وات الی ۱۵ وات ساخته شد. اما هنوز این ظرفیت برای کاربردهای فنی و صنعتی مورد نظر، کافی و قابل قبول نبود. تا اینکه درسال ۱۹۶۵ یک واحد پیل سوختی با ظرفیت یک کیلو‌وات توسط شرکت جنرال الکتریک به منظور استفاده در ماهواره گمینی۵، ساخته شد و توجه دانشمندان را به خود جلب نمود. این پیل سوختی با ولتاژ ۲۵ ولت و شدت جریان خروجیA ۴۰ آمپر توانست در طول ۷ پرتاب ماهواره گمینی ۵، انرژی برابر با ۵۱۹ کیلووات ساعت طی بیش از ۸۴۰ ساعت پرواز را تامین 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 تامین کنند. این امر موجب گردید تا در سراسر جهان روی توسعة دانش فنی و تکنولوژی ساخت پیل‌های سوختی سرمایه‌گذاری‌های بزرگی صورت گیرد. امروزه نیز تحقیقات وسیعی در جهت ارتقاء ظرفیت، کاهش هزینه‌های ساخت و بهره برداری و توسعة ویژگی‌های کاربردی پیل‌های سوختی در جریان می‌باشد. برق خروجی از پیل‌های سوختی جریان مستقیم (DC) است. بنابراین برای مصرف کننده‌های جریان متناوب از مبدل‌های DC به AC استفاده می‌کنند. از پیل‌های سوختی می‌توان برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز در مناطقی که دور از شبکه‌های سراسری انتقال و توزیع برق هستند و نیز در ایستگاه‌های ماهواره‌ای و مخابراتی وغیره نیز به طور رضایت‌بخشی استفاده نمود .

انواع پیل سوختی

پیلهای سوختی در انواع زیر موجود می‌باشند: پیل‌های سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آن‌ها به پنج نوع اصلی طبقه بندی می‌شوند.

• پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشاء مبادله کننده پروتون (PEMFC)
• پیل سوختی قلیایی (AFC)
• پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)
• پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
• پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
• پیل سوختی میکروبی (MFC)
• پیل سوختی اسید فرمیک (FFC)
• پیل سوختی هوا-روی (Zn-Air FC)
• پیل سوختی سرامیکی

لازم به ذکر است که پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC)۶ از خانواده پیل سوختی PEMFC است. پیل‌های سوختی بر اساس دمای عملکرد، دارای دامنه دمایی از ۸۰ برای (PEMFC) تا ۱۰۰۰ برای (SOFC) می‌باشند. پیل‌های سوختی دمای پایین (PEMFC ،PAFC ،AFC) دارای حامل‌های یونیH+ ویا OH- هستند که انتقال یون از میان الکترولیت وانتقال 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: یل 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.
• از سوخت‌های تجدید پذیر استفاده شده و عامل گرمایش زمین را حذف می‌کند.
• با نصب پیلهای سوختی نیروگاهی کوچک، شبکه غیرمتمرکز نیرو گسترده می‌گردد.
• 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.
• اکثر پیلهای سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی صدا هستند.
• انتقال گرما از پیلهای دما پایین بسیار کم می‌باشد لذا آنها را برای کاربردهای نظامی مناسب خواهد شد.
• زمان عملکرد آنها از باتریهای متداول بسیار طولانی‌تر است. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفی می‌توان زمان عملکرد را دو برابر نمود و نیازی به دو برابر کردن خود پیل نمی‌باشد.
• سوختگیری مجدد پیلهای سوختی به راحتی امکان‌پذیر می‌باشد و هیچگونه اثرات حافظه ای بر جای نمی‌گذارد.
• بعلت عدم وجود اجزای متحرک نگهداری از آنها بسیار ساده می‌باشد.
• نصب و بهره‌برداری از پیل‌های سوختی بسیار ساده و مقرون به صرفه می‌باشد.
• پیل‌های سوختی مدولار می‌باشند یعنی براحتی توان تولیدی از آنها قابل افزایش می‌باشد.
• این مولدها قابلیت تولید همزمان برق و حرارت را دارند.
• امکان استفاده از سوختهای تجدیدپذیر و سوختهای فسیلی پاک در آنها وجود دارد.
• به میکروتوربین‌ها متصل می‌گردند.
• پیل سوختی به تغییر بار الکتریکی پاسخ می‌دهد.
• پیل سوختی امکان تولید برق مستقیم با کیفیت بالا را دارد.
• دانسیته نیروی بالا دارد.
• میزان بازدهی آن‌ها نسبت به سلول‌های دیگر بیش تر است.

معایب

• به مواد بیشتر و فرایندهای سریعتری نسبت به دیگر پیل‌ها نیاز دارد.
• 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

1.حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایط نقلیه عمومی): چند نمونه اتوبوس هیدروژنی تولید شرکت بالارد^[۳] از سال 2007 در ویسلر کانادا مورد استفاده قرار گرفته اند. اولین مدل تجاری خودرو پیل سوختی توسط هیوندای در سال 2015 به بازار عرضه شده است.^[۴] سایر شرکت های عمده خودروسازی نیز نخستین مدل های خودرو هیدروژنی خود را در سالهای 2016 و 2017 به بازار عرضه خواهند کرد.

2.نیروگاه‌ها (نیروگاه‌های متمرکز و غیرمتمرکز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی):پیل های سوختی به دلیل آرام و بی صدا بودن برای تولید برق محله ای گزینه خوبی محسوب می شود. به علاوه کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.

3.وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و …)

4.صنایع نظامی: پیل‌های سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانک‌ها، زره‌پوش و خودروهای نظامی استفاده می‌شوند. نداشتن قطعه متحرک دراین نوع پیل های سوختی باعث کاهش صدا شده و به دلیل کارکرد در حرارت پایین ردیابی آنها مشکل تر از خودروهایی با موتور درون سوز می باشد.

بروز ترین روش تولید پیل سوختی

در حال حاضر، پیل‌های سوختی، شبیه به خودروها تولید می‌شوند؛ یعنی قطعات مختلف آنها به صورت جداگانه ساخته و سپس روی هم اسمبل 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 می شود. گروه تحقیقاتی تامپسون با استفاده از فرایند پیشرفته میکروفابریکیشن، نسل جدید پیل‌های سوختی را تولید می کند. در این فرایند به جای تولید جداگانه پیل سوختی، آنها به صورت لایه لایه ساخته می‌شوند، روشی که هم اکنون 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 گرمای تولید شده می‌توان برای افزایش بازدهی مجدد استفاده نمود.
• امکان بازسازی درونی سوخت به خاطر عملکرد دمایی بالا وجود دارد.
• نیازی به کاتالیستهای گران قیمت ندارد.
• برای استفاده از سوختهای مختلف نیازی به مبدل‌های سوخت نیست.
• از آنجاییکه پیل سوختی اکسید جامد دارای الکترولیت جامد است مشکل خوردگی مواد کم می‌باشد .
• برای ساخت اجزای پیل می‌توان از فناوری لایه نازک استفاده نمود. ولی در پیل‌های سوختی با الکترولیت مایع چنین امری دست نیافتنی است.

پیل سوختی اساساً وسیله ای 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. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد. پیل‌های سوختی می‌توانند سوخت‌های حاوی هیدروژن مانند متانول( Methanol )، اتانول ( Ethanol) ، گاز طبیعی ( Natural Gas ) و حتی بنزین و گازوئیل را مورد استفاده قرار دهند. بطورکلی در سوخت‌های هیدروکربوری، هیدروژن توسط یک دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بکار گرفته می‌شود. 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 درونسوز 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 سرمایه گذاری کلانی نمایند. سیستم‌های پیل سوختی از جمله تکنولوژیهای پیشرفته ایست که مصارف غیر نظامی آن با توانهای میلی وات تا مگا وات موضوع تحقیق شرکتهای تولید نیرو، خودرو سازی و نیز شرکتهای نفتی قرار گرفته‌است. پیل سوختی مجموعه‌ای از الکترولیت، الکترودها و صفحات دو قطبی است. 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 بصورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کند. الکترون نیز از طریق مدار خارجی به سوی کاتد هدایت می‌شود. اکسیژن با دریافت الکترون و پروتون به آب تبدیل می‌شود. 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.

ساخت قلب پیل سوختی با فناوری نانو از سوی محققان دانشگاه امیرکبیر