مهندسی مکانیک

پيل سوختي

اولين پيل سوختي توسط سر ويليام گرو در سال 1839 توسعه يافت، ولي تا مدتها از آن استفاده عملي نشد، تا اينكه در سال 1960، ناسا اين فن‌‌آوري را براي توليد الكتريسيته بر روي فضاپيماهاي آپولو و جميني نصب كرد. پيلهاي سوختي در مقايسه با سيستمهاي توليد توان متداول، مزاياي بسياري دارند؛ بازده الكتريكي نسبتاً بالاتر، ميزان انتشار آلاينده‌هاي كم، انعطاف پذيري در مورد محل نصب، قابليت اطمينان بالا، ملزومات و هزينه تعمير و نگهداري كم، كارآيي part-load فوق العاده، تعديل پذير بودن و قابليت بكارگيري سوختهاي مختلف. به خاطر بازده و مزاياي زيست محيطي‌شان، فن‌‌آوري پيل سوختي يك راه حل بسيار جذاب و مفيد  در قرن بيست و يكم براي رفع مشكلات انرژي خواهد بود.

فرايند الكتروشيميايي در پيل سوختي

پيل سوختي (FC) فن‌‌آوري است كه بدون داشتن اجزاي متحرك، انرژي شيميايي را به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند. پيل سوختي نيز مانند باتريها، بر اساس اصول الكترو شيميايي كار مي‌كند. يك پيل سوختي شامل دو الكترود (آند و كاتد) است كه به وسيله يك ماده الكتروليت از هم جدا شده‌اند. بخشي از يك پيل سوختي كه شامل الكترودها و مواد الكتروليت است، «استك» ناميده مي‌شود و بطور كلي بخش هزينه‌بَر آن محسوب مي‌شود. با وجود اينكه پيلهاي سوختي از نظر مواد الكتروليتي متفاوتند، ولي همه آنها با اصول پايه يكساني كار مي‌كنند.

شكل1 فرايند الكتروشيميايي در پيل سوختي

پيلهاي سوختي را از نظر نوع الكتروليت بكار رفته در آن تقسيم بندي مي‌كنند. در حال حاضر پنج نوع پيل سوختي وجود دارد: پيلهاي سوختي آلكالين (AFC)، پيلهاي سوختي اسيد فسفريك (PAFC)، پيلهاي سوختي پليمري (PEFC) (در بعضي مراجع از آن به پيلهاي سوختي غشاء تبادل پروتون (PEMFC) ياد شده است)، پيلهاي سوختي كربنات مذاب (MCFC) و پيلهاي سوختي اكسيد جامد (SOFC).

سوخت اين پيلها هيدروژن است. هيدروژن را هم مي‌توان به صورت مستقيم بكاربرد، و هم مي‌توان آن را از منابعي كه از لحاظ هيدروژن غني هستند، استخراج كرده و سپس به مصرف رساند. اين منابع عموماً هيدروكربنهايي نظير بنزين، پروپان، متانول، گاز طبيعي و غيره هستند. براي استخراج هيدروژن از اين منابع به يك دستگاه جانبي بنام مبدل (reformer) كه پيش از ورود سوخت به پيل قرار مي‌گيرد، نياز است.

روش كار به اين صورت است كه، سوخت هيدروژن به آند پيل سوختي تغذيه شده و اكسيژن (يا هوا) نيز از طريق كاتد وارد پيل سوختي مي‌شوند. به كمك يك كاتاليست اتمهاي هيدروژن به يونهاي مثبت و منفي تبديل مي‌شوند. يونهاي مثبت كه حاوي پروتونها (H+) هستند از ميان الكتروليت عبور كرده و به سمت كاتد مي‌روند، ولي يونهاي منفي (الكترونها) نمي‌توانند از الكتروليت عبور كنند. به همين خاطر الكترونها از يك مدار خارجي عبور داده مي‌شوند. در ضمن عبور الكترونها از اين مدار خارجي، الكتريسيته توليد ميشود و سرانجام الكترونها به كاتد مي‌رسند. در كاتد يونهاي مثبت و منفي در مجاورت يك اكسيد كننده (اكسيژن يا هوا) با هم دوباره تركيب شده و با اكسيژن موجود تشكيل آب و گرما مي‌دهند.

كاربرد پيل سوختي در توليد همزمان

استفاده از محتواي انرژي گرمايي حاصله از واكنش الكتروشيميايي پيل سوختي، باعث مي‌شود كه بازده اينگونه سيستمها به مقدار قابل ملاحظه‌اي بهبود يابد. عموماً گرما به شكل آب داغ يا بخار فشار پايين (كمتر از 30psig ) بازيافت مي‌شود، ولي كيفيت گرماي حاصله به نوع پيل سوختي و دماي كاري آنها بستگي دارد (جدول1). در بين انواع پيل سوختي پايين­ترين كيفيت دمايي را پيلهاي نوع PEFC، با دماي كاري بين 65 تا 85 درجه سانتيگراد دارند. همانطور كه مشاهده مي‌شود پيلهاي سوختي نوع SOFC و MCFC با گستره دمايي بين 650 تا 1000 درجه سانتيگراد، در كاربردهاي CHP كه نياز به توليد بخار فشار بالا و متوسط است، بسيار مناسب مي‌باشند. بطور كلي گرماي بازيافت شده از سيستمهاي CHP پيل سوختي، براي گرمايش فضاي ساختمانها، گرمايش آب آشاميدني و فرآيندهايي كه نياز به دماهاي پايين و متوسط دارند، مناسب مي‌باشد.

جدول1 دماي كاري و بازده انواع پيل سوختي