پیل سوختی

پیل سوختی وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. برخلاف باتری‌ها که به علت محدود بودن مقدار ماده‌ی واکنش دهنده در مخزن باتری، پس از مدتی نمی‌توانند انرژی لازم را تأمین کنند، در پیل سوختی مواد واکنش دهنده به صورت پیوسته وارد پیل شده و فرآورده‌ها به صورت پیوسته خارج می‌شوند، بنابراین پیل سوختی می‌تواند به صورت پیوسته کار کند. همچنین به دلیل اینکه تبدیل انرژی به طور مستقیم روی می‌دهد از بازدهی بالایی برخوردار است. در پیل سوختی گاز هیدروژن به عنوان سوخت مصرف شده و از واکنش آن با اکسیژن، علاوه بر انرژی الکتریکی، آب و حرارت نیز تولید می‌گردد. به عبارت دیگر در این تبدیل، عکس واکنش الکترولیز آب رخ می‌دهد. یک پیل سوختی از سه جزء اصلی تشکیل شده‌ است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشاء. گاز هیدروژن که به عنوان سوخت به کار می‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش می‌یابد. طی این واکنش یون هیدروژن مثبت (+H) و الکترون تولید می‌شوند. یون‌های هیدروژن به همراه الکترون‌ها از کاتد به آند منتقل شده که این انتقال از طریق الکترولیت صورت می‌گیرد.
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 ۱۸۳۹ با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.
واژه “پیل‌سوختی” در سال ۱۸۸۹ 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 ۱۹۳۲ 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 ۲۷ سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیل‌سوختی کامل وکارا ارائه نماید. بیکون در سال ۱۹۵۹ پیل‌سوختی با توان ۵ کیلووات را تولید نمود که می‌توانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری را تامین نماید.

تحقیقات جدید در این عرصه از اوایل دهه ۶۰ 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.

تاریخچه پیل‌سوختی پلیمری
فن‌آوری پیل‌سوختی پلیمری در سال۱۹۶۰در شرکت جنرال الکتریک توسط T. Grubb و L. Niedrach ابداع شد. اولین موفقیت جنرال الکتریک در تولید پیل سوختی پلیمری در اواسط دهه۱۹۶۰ 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(PB۲) 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 P۳ را تولید کرد .

منابع : 

۱.Deng, H., Wu, Y.C., Zhang, F., Huang, Z.C., Chen, Z., Xu, H.J., Zhao, F., 2014. Factors affecting the performance of single-chamber soil microbial fuel cells for power generation. Pedosphere 24, 330–۳۳۸.

۲.satba.gov.سازمان انرژی های تجدید پذیر و بهره وری انرژی برق

۳.اسدی,شیرین, پایان نامه متاآمینوفنول/پیل سوختی

در دهه­های اخیر مطالعات قابل توجهی روی پلیمرهای رسانا صورت گرفته است. در این نوع پلیمرها به علت داشتن پیوندهای ساده و دوگانه امکان هادی ساختن­شان ایجاد رسانایی وجود دارد و اساس آن انتقال الکترون و تولیدبار در یون پلیمر میباشد.تحقیقات وسیعی در زمینه پلیمرهای هادی و کاربردشان در غشاها تعویض یونی،پوشش و حفاظت از خوردگی،حسگرها و جاذب های شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته اند.از جمله پلیمرهای کاربردی مهم می­توان به پلی استیلن،پلی آنیلین،پلی پیرول و پلی تیوفن و پلی فنیل وینیل اشاره کرد. پلیمرهای رسانا شامل پلیمرهایی با سیستم  مزدوج هستند که ساختمان الکترونیکی شان به طور مشخص با فرایند های شیمیایی و الکتروشیمیایی اصلاح می شود. با تغییر خواص الکتریکی نیز می توان موادی با هدایت الکتریکی متفاوت و یا خواص اکسایشی و کاهشی گوناگون ساخت. این خواص پیچیده را تنها با فهم درست از موارد زیر می توان کنترل نمود. اول، طبیعت فرایندی که در طی آن پلیمررسانا تولید می شود و دوم، کدام یک از خواص ذکر شده با محرک الکتریکی تغییر خواهد کرد.  پلیمرهای رسانا با استفاده از روش های شیمیایی و الکتروشیمیایی تهیه می شوند. این دسته از مواد به دلیل هدایت و فعالیت الکتریکی نسبتا زیاد و پایداری محیطی و حرارتی مناسب، کاربردهای مختلفی دارند. البته آرایش مولکولی که برای رسیدن به خواص شیمیایی و الکتریکی مطلوب، حاصل می گردد خواص مکانیکی هر ساختار را نیز تعیین می کند. هر سه خواص شیمیایی، الکتریکی و مکانیکی به طور پیچیده­ ای با هم در ارتباط هستند که روش تولید نیز نقش بسیار مهمی دارد.

کامپوزیت ها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است. ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند. نانوکامپوزیت، همان کامپوزیت است که یک یا چند جزء از آن، ابعاد کم‌تر از ۱۰۰ نانومتر دارد. نانوکامپوزیت‌ها از دو فاز تشکیل شده اند. فاز اول یک ساختار بلوری است که در واقع پایه یا ماتریس نانوکامپوزیت محسوب می شود و ممکن است از جنس پلیمر، فلز و یا سرامیک باشد. فاز دوم نیز ذراتی در مقیاس نانومتر هستند که به عنوان تقویت کننده و مواد پرکننده به منظور اهداف خاص از قبیل استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی، خواص مغناطیسی و … در درون فاز اول (ماده پایه) توزیع می شوند. با افزایش نانو ذرات به پلیمرها علاوه برافزایش هدایت الکتریکی می­توان خصوصیاتی مانند سطح و گزینش پذیری نانو کامپوزیت حاصل را افزایش داد و در نتیجه به خوبی به عنوان نانوحسگر حد تشخیص اندازه گیری­ها را در مخلوط ها بهبود بخشید.

منابع :  

۱) Xiucui Ji, Qiang Xu, Ting Zhou, Xiaotong Wang, Yong Kong (2016)Synthesis of poly(aniline-co-m aminophenol)/graphene/NiO nanocomposite and its application in supercapacitors, Synthetic Metals, 211, 14-18.

۲) اسدی.شیرین ,پروپوزال,۲۰۱۹,۲