چرخ کشور با پیل‌ سوختی‌خواهد چرخید؟

اگر این پیل‌ها هم مواد سوختی مصرف می‌کنند، چگونه قرار است، آلودگی هوا را کاهش دهند؟

پیل سوختی مانند یک موتور احتراقی از سوخت‌های شیمیایی به‌عنوان منبع انرژی خود استفاده کرده و همانند یک باتری، انرژی شیمیایی این سوخت‌ها را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، اما تفاوت آنها با موتورهای مثلا بنزین در این است که مرحله احتراق حذف شده است. پس پیل سوختی دستگاهی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی یک سوخت را بدون عمل احتراق به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سوخت‌های متعارف به کار رفته در پیل‌های سوختی عبارتند از: گاز هیدروژن، متانول، اتانول و... که با هوا (ترجیحا اکسیژن) به‌عنوان اکسیدکننده الکتروشیمیایی وارد فعل و انفعال‌شده و تا زمانی که سوخت و اکسیدکننده وجود دارد، انرژی الکتریکی به صورت جریان مستقیم با ولتاژ پایین تولید می‌شود. در یک پیل سوختی، انرژی شیمیایی مربوط به واکنش الکتروشیمیایی یک سوخت با اکسیدکننده به طور مستقیم به آب، الکتریسیته و حرارت تبدیل می‌شود. این عمل شبیه پیل‌های الکتریکی است با این تفاوت که در پیل‌های سوختی هیدروژن مصرف شده و نیازی به شارژ الکتریکی مجدد آنها نیست.

این اتفاق یعنی تبدیل سوخت به انرژی بدون مرحله سوختن چگونه رخ می‌دهد؟

به طور خلاصه می‌توان واکنش‌های انجام شده در یک پیل سوختی را به صورت زیر توضیح داد: هیدروژن در آند به یون هیدروژن تبدیل شده و الکترون آزاد می‌شود. این الکترون‌ها از طریق مدار خارجی به سمت کاتد حرکت کرده و تولید جریان می‌کنند. یون‌های موجود از طریق الکترولیت (غشاء مبادله یونی) به سمت کاتد حرکت کرده و در آنجا با اکسیژن و الکترون‌های آزاد تولید آب و الکتریسیته می‌کند. اجزای اولیه یک پیل سوختی شامل الکترولیت هادی یون و الکترودها که آند و کاتد هستند.

پیل‌های ‌سوختی را به شکل‌های مختلفی دسته‌بندی می‌کنند. این تقسیم‌بندی‌ها بر اساس نوع الکترولیت، دمای فعالیت پیل، سوخت، نوع اکسیدکننده، مبدل سوخت انجام شده است. در رایج‌ترین طبقه‌بندی انواع پیل‌های سوختی بر مبنای نوع الکترولیت عبارتند از: پیل‌سوختی غشای پلیمری، قلیایی، اسیدفسفریک، پیل کربنات مذاب و پیل‌سوختی‌اکسیدجامد.

آیا هر‌کدام از انواع‌‌ پیل‌سوختی که نام بردید، کاربرد خاصی دارد؟

بله، انواع مختلف پیل‌های سوختی مانند پیل سوختی قلیایی در کاربردهای فضایی، پیل‌های سوختی اسید فسفریک و کربنات مذاب در زمینه نیروگاهی، پیل‌های سوختی غشای پلیمری و الکل مستقیم (نظیر متانول مستقیم و اتانول مستقیم)‌ و در آینده نزدیک پیل سوختی اکسید جامد در خودروهای سواری مورد توجه جدی قرار گرفته و سرمایه‌گذاری‌های کلانی در این زمینه برای دستیابی به فناوری‌های پیشرفته آنها صورت گرفته است.

چالش اساسی تولید و کار با پیل‌های سوختی چه بوده‌ که شما را مجاب به تحقیقات در این زمینه کرد؟

همان طور که قبلا هم ذکر شد، اجزای اولیه یک پیل سوختی شامل الکترولیت هادی یون و الکترودها شامل آند و کاتد است. با توجه به نوع پیل سوختی مورد استفاده، الکترولیت هادی یون آن نیز تعیین می‌شود. مثلا در پیل‌های سوختی پلیمری نوع PEM، از غشاهای پلیمری تبادل پروتون استفاده می‌شود؛ پس در این نوع از پیل‌های سوختی مسأله اصلی در هزینه پیل، قیمت تمام شده غشای مورد استفاده است. همچنین الکتروکاتالیست‌هایی که در الکترودهای آند و کاتد پیل‌های سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرند، به طور عمده از جنس فلزات گرانبهایی نظیر پلاتین و روبیدیوم هستند که باز هم هزینه بالایی را ایجاد می‌کنند؛ ولی تفاوت قیمت تمام شده الکتروکاتالیست‌ها با غشاهای مورد استفاده در این است که در الکتروکاتالیست‌ها مقدار فلز گرانبهای مورد استفاده بسیار کم بوده و در حد میلی‌گرم است؛ بنابراین خیلی روی هزینه تمام شده پیل سوختی نمی‌تواند تأثیر داشته باشد، در حالی که هزینه غشای تبادل پروتون مورد استفاده تقریبا 60 ،70 درصد کل قیمت تمام شده پیل سوختی را تشکیل می‌دهد. بنابراین یکی از اصلی‌ترین پیش‌شرط‌های تجاری‌سازی پیل‌های سوختی هزینه تمام شده غشای تبادل پروتون آن است. همین موضوع یعنی تولید غشای تبادل پروتونی که ارزان‌تر، کاراتر و تحت لیسانس چند شرکت خاص قرار نداشته باشد، ما را ترغیب کرد در این زمینه تحقیقات کنیم.

برای تولید چنین غشایی چه کار کردید؟

در سال‌های اخیر، تلاش‌های تحقیقاتی زیادی برای توسعه غشاهای هادی پروتون جدیدی برای پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتون در دماهای بالا انجام شده است. غشاهای فلوئورینه بر پایه اسید سولفونیک مانند نفیان انتخاب مطلوبی برای کاربردهای پیل سوختی نوع PEM است؛ اما تهیه‌ آنها مشکل بوده و هزینه کلی استفاده از آنها هنوز هم بالاست، همچنین غشای نفیان از لحاظ مکانیکی در دماهای بالای صد درجه سانتی‌گراد ناپایدار می‌شود و از طرفی برای داشتن عملکرد مطلوب، غشاهای تبادل پروتون در پیل‌های سوختی نوع PEM باید کاملا رطوبت باشد، ولی میزان این رطوبت در دماهای بالای صد درجه سانتی‌گراد کاهش یافته و باعث پایین آمدن عملکرد پیل سوختی می‌شود.

هنوز متوجه نشده‌ام که شما چه دستاوردی در این زمینه به دست آوردید؟

همان طور که گفتم رطوبت غشای در این نوع از پیل‌های سوختی خیلی مهم است، اما می‌خواستیم این پیل‌ها را در خودرو، جایی که اندازه و وزن اهمیت دارد به کار ببریم. به‌همین دلیل باید به روشی سیستم مرطوب‌سازی را حذف می‌کردیم تا کوچک‌تر و سبک‌تر شود. برای رسیدن به این هدف، غشاهای تبادل پروتون خود مرطوب شونده‌ای در طرح تحقیقاتی اخیر که به عنوان رساله دکتری مهندسی شیمی (گرایش پلیمر) اینجانب بود، طراحی و تهیه شد.

برای پیل‌های سوختی نوع PEM در دماهای بالا، استفاده از ساختارهای آروماتیکی در غشا و ذرات پرکننده خود مرطوب‌‌شونده باعث بهبود عملکرد پیل سوختی آزمایشگاهی با گازهای واکنشگر خشک می‌شود که در این طرح تحقیقاتی به این مهم دست پیدا کردیم.

چرا اینقدر روی پیل‌های سوختی نوع PEM تاکید دارید. چه مزیتی دارند؟

پیل سوختی نوع غشای پلیمری یا PEM به دلیل مزایای فراوانی چون سبکی، ارزان‌تر بودن و محدوده دمای عملکرد پایین که نسبت به دیگر پیل‌های سوختی دارد، به‌عنوان جایگزین موتورهای احتراق داخلی از سوی خودروسازان بزرگ جهان مانند فورد، دایملر کرایسلر، تویوتا و شرکت‌های بزرگ دیگر برگزیده شده است.

همچنین استفاده از پیل‌های سوختی نوع پلیمری در سیستم‌های ترکیب‌کننده نیرو و گرما در اندازه‌های کوچک و بزرگ میسر است و می‌توان از آن در وسایل نقلیه، تهیه شارژ رایانه‌های قابل حمل و حتی گوشی‌های تلفن همراه استفاده کرد.

سرانجام نتایج تحقیقات شما به کجا انجامید؟

در این طرح تحقیقاتی به ساخت و بررسی خواص غشای‌های نانوکامپوزیتی خود مرطوب شونده خاصی برای غشاهای تبادل پروتون که در پیل‌های سوختی نوع PEM مورد استفاده قرار می‌گیرند، پرداخته شده است. خواص این نوع غشای‌های نانوکامپوزیتی مرطوب شونده شامل میزان جذب آب غشا، میزان ظرفیت تبادل یون غشا، پایداری حرارتی غشا، هدایت پروتونی آن و عملکرد پیل سوختی حاوی این نوع از غشاها با تهیه مجموعه‌های الکترود ـ غشا از سوی روش فیلم نازک به‌طور کامل مورد بحث و بررسی قرار گرفت.

مجموعه‌های الکترود ـ غشا تهیه شده با استفاده از غشاهای نانوکامپوزیتی خود مرطوب شونده در دستگاه پیل سوختی آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت و مشخص شد که پیل سوختی حاوی غشای نانوکامپوزیتی خود مرطوب شونده با گازهای واکنشگر خشک، دارای عملکرد بسیار بهتری نسبت به غشای اولیه تحت شرایط عملیاتی کاملا مرطوب دارد.‌ این غشای جدید می‌تواند جایگزین بسیار مناسبی برای غشاهای فلوئورینه تجاری گران‌قیمت موجود مانند نفیان در سیستم‌های پیل سوختی نوع PEM باشد. تولید این غشای ایرانی، راه کشورمان را برای عملیاتی کردن و بهره‌برداری جدی از فناوری پیل سوختی در صنایع مختلف باز خواهد کرد.

با این‌موفقیت‌علمی ،سرمایه‌گذاری روی این طرح چه سهمی از سبد انرژی‌های تجدیدپذیر آینده را می‌تواند تامین کند؟

با توجه به این‌که هزینه کلی غشاهای فلوئورینه تجاری موجود مانند نفیان به‌ دلیل تحت لیسانس بودن آنها از سوی شرکت‌هایی آمریکایی، بسیار بالاست و با توجه به این‌که غشای نانوکامپوزیتی خود مرطوب شونده تهیه شده در این طرح تحقیقاتی هزینه بسیار پایینی در مقایسه با غشاءهای مشابه فلوئورینه تجاری دارد، بنابراین در صورت سرمایه‌گذاری روی این طرح تحقیقاتی می‌توان به هزینه کلی پایین پیل‌های سوختی نوع PEM دست یافت. هزینه غشای تبادل پروتون مورد استفاده در این نوع از پیل‌های سوختی تقریبا 60 ،‌70 درصد کل قیمت تمام شده پیل سوختی را تشکیل می‌دهد. برای کشور ما که تا چند دهه دیگر با بحران کاهش سریع منابع انرژی‌های فسیلی روبه‌رو خواهد شد، ایده استفاده از انرژی‌های پاک و سبز یک راه نجات به نظر می‌رسد.

استفاده از پیل‌های سوختی در مصارف خانگی

سیستم‌های انرژی همزمان برق و حرارت (CHP) راه‌حل بسیار خوبی برای تولید انرژی مستقل از شبکه برق سراسری برای خانه به ‌شمار می‌رود. سیستم CHP، یک پیل‌سوختی نوع هیدروژنی است که برق تولید کرده و از حرارت اتلافی آن برای گرمایش خانه و تأمین آب‌گرم خانگی استفاده می‌شود. با استفاده از حرارت اتلافی، بازدهی کلی سیستم به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. اکنون در کشورهایی مانند ژاپن و آمریکا عرضه سیستم‌های پیل‌سوختی خانگی‌ با بازدهی تقریبی 35 درصد بوده؛ ولی زمانی که حرارت اتلافی گرفته و برای ایجاد گرمایش و تولید آب‌گرم استفاده شود، بازدهی کلی سیستم به 85 درصد می‌رسد؛ بنابراین یک سیستم پیل‌سوختی CHP می‌تواند به میزان قابل‌توجهی بازدهی برق مصارف خانگی را افزایش دهد.

معصومه درخشان / جام‌جم