افزایش عملکرد پیل سوختی به روش دوستدار محیط‌زیست

نیاز بشر به توسعه فناوری، کشف و توسعه منابع جدید انرژی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. یکی از این منابع جدید انرژی، پیل‌های سوختی است که ساخت و بهبود آن در سال‌های اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است.

در این پیل‌ها یا همان باتری‌ها، از احتراق سوخت مناسب نظیر هیدروژن یا نوعی الکل مانند متانول علاوه بر تولید الکتریسیته، آب تولید می‌شود که این منبع انرژی نسبت به سوخت‌های فسیلی آلودگی بسیار کمتری در محیط‌زیست ایجاد می‌کند. پیل‌های سوختی کاربردهای متنوعی دارد و دامنه کاربرد آنها طیف وسیعی از کاربرد در لوازم خانگی تا اتوبوس‌ها و خودرو‌ها را در بر می‌گیرد. پیل‌های سوختی متانولی نسبت به پیل‌های هیدروژنی از مزیت‌هایی ازجمله دانسیته انرژی بالاتر متانول نسبت به هیدروژن برخوردار است. در این پیل‌ها از اکسایش الکتروشیمیایی متانول انرژی الکتریکی به دست می‌آید. دانسیته انرژی بالاتر متانول باعث می‌شود در پیل‌های سوختی متانولی برای مدت زمان بیشتری انرژی الکتریکی تولید شود. در پیل‌های سوختی متانولی، هرچه متانول راحت‌تر اکسید شود، کارایی پیل افزایش می‌یابد، اما مشکلاتی مانند روند کند اکسایش متانول و آلودگی سطح الکترودهای معمولی باعث شده است ساخت و به‌کارگیری کاتالیست‌های جدید برای جبران این محدودیت اهمیت بالایی پیدا کند. با توجه به اهمیت این موضوع طرح پژوهشی به منظور تولید کاتالیست‌هایی برای افزایش عملکرد پیل‌های سوختی با هدف کاهش هزینه‌های تولید و سازگاری با محیط‌زیست و کاهش پیامدهای زیست‌محیطی از سوی محققان دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرضا مورد توجه قرار گرفته است.

افزایش سرعت تولید انرژی

علیرضا نظامزاده اژیه، دانشیار دانشکده شیمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرضا و مجری این طرح تحقیقاتی در گفت‌و‌گو با جام‌جم می‌گوید: بخشی از فعالیت‌های پژوهشی بر ساخت الکترودهای ارزان قیمت خمیر کربن و اصلاح آنها توسط حد واسط‌های مناسب متمرکز شده است تا کاتالیست‌های مناسبی برای استفاده در پیل‌های سوختی متانولی ساخته شود. کاتالیزور (کاتالیست) ماده شیمیایی است که می‌تواند سرعت یک واکنش شیمیایی را به‌طور چشمگیری افزایش دهد یا واکنش را از مسیری پیش ببرد که نیاز به انرژی اولیه برای شروع واکنش به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش پیدا کند. به همین دلیل در این پژوهش از الکترود خمیر کربن اصلاح شده با نانو ذرات زئولیت طبیعی کلینوپتیلولیت تعویض یون شده با کاتیون نیکل(II) به‌عنوان الکتروکاتالیست در اکسایش متانول استفاده شده است تا بتواند علاوه بر افزایش چشمگیر جریان الکتریکی حاصل، اضافه ولتاژ لازم برای اکسایش متانول را شدیدا کاهش دهد.

به گفته عضو هیأت علمی دانشگاه آزاد اسلامی، کاهش پتانسیل لازم برای واکنش متانول در سطح الکترود و نیز ایجاد جریان بیشتر به معنای کارایی بهتر پیل‌های سوختی است؛ که از نقطه نظر اقتصادی حائز اهمیت فراوانی است. کاتالیست ساخته شده در این طرح، اضافه ولتاژ لازم برای اکسایش متانول را نسبت به الکترودهای متداول پلاتینی حدود 500 میلی‌ولت کاهش داده و افزایش چشمگیری در جریان حاصل ایجاد کرده است. به عبارتی اکسایش متانول در حضور این کاتالیست به مراتب آسان‌تر انجام شده است. برای ساخت نانوذرات زئولیت کلینوپتیلولیت، کلوخه‌های این زئولیت که از معادن سمنان تهیه شده‌اند در آسیاب گلوله‌ای در اثر برخورد شدید گلوله‌های فولادی خرد و به نانوذرات تبدیل می‌شوند. ناخالصی‌های مغناطیسی براحتی توسط آهن‌ربا جدا می‌شود. پودر حاصل در محلول حاوی نیکل قرار می‌گیرد و به راحتی کاتیون‌های نیکل وارد زئولیت شده و کاتیون‌های سدیم و کلسیم از زئولیت خارج می‌شود. با این عمل ساده جانشینی زئولیت کلینوپتیلولیت حاوی نیکل تهیه می‌شود که به‌عنوان کاتالیست در اکسایش متانول استفاده شده است. برای قابلیت کاربرد کاتالیست حاصل در یک باتری که حاوی متانول است باید این کاتالیست طی یک مرحله ساده با پودر گرافیت (کربن یا دوده) و چند قطره از یک روغن مناسب آلی به صورت خمیر مناسب درآید.

انرژی الکتریکی با بازده بالاتر

پیل‎‎‎‎‎‎‎‎‎های سوختی فناوری جدیدی برای تولید انرژی است که بدون ایجاد آلودگی‌های زیست‌محیطی و صوتی، از ترکیب مستقیم بین سوخت ـ که معمولا هیدروژن و متانول است ـ و اکسیدکننده، انرژی الکتریکی با بازدهی بالا تولید می‎‎‎‎کنند. دکتر نظامزاده اژیه با تاکید بر این موضوع می‌گوید: در پیل‌سوختی انرژی شیمیایی به‌گونه‌ای به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود که اجزای داخل پیل اعم از‌ آند، کاتد و الکترولیت مصرف نمی‌شوند. در این تبدیل از عمل عکس تجزیه آب استفاده می‌شود، به عبارت دیگر از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌شود. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باتری بوده ولی برخلاف باتری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تامین شود، سیستم کار خواهد کرد.

وی درباره مزایای پیل‌های سوختی این‌طور توضیح می‌دهد: پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندان سوخت‌های فسیلی را حذف کرده و تنها محصول جانبی آن آب است. البته مزیت پیل‌های سوختی فقط به کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی محدود نمی‌شود. این فناوری از مزیت‌های دیگری هم برخوردار است. اگر در این پیل‌ها هیدروژن مصرفی حاصل از الکترولیز آب باشد، نشر گازهای گلخانه‌ای به صفر می‌رسد. علاوه بر این به دلیل وابسته نبودن به سوخت‌های فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی اقتصادی کشورهای ناپایدار اقتصادی را حذف می‌کند. پیل‌های سوختی نسبت به سوخت‌های فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین بازده بالاتری دارد. هیدروژن در هر مکانی از آب و برق تولید می‌شود، بنابراین پتانسیل تولید سوخت، غیرمتمرکز خواهد شد. اکثر پیل‌های سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی‌صدا هستند.

به گفته عضو هیأت علمی مرکز تحقیقات شیمی رازی، انتقال گرما از پیل‌های دما پایین بسیار کم است. برخورداری از این ویژگی آنها را برای کاربردهای نظامی مناسب می‌سازد. زمان عملکرد آنها از باتری‌های متداول بسیار طولانی‌تر است. فقط با دو برابر کردن سوخت مصرفی می‌توان زمان عملکرد را به دو برابر افزایش داد و نیازی به دو برابر کردن خود پیل نیست. علاوه بر این سوختگیری مجدد پیل‌های سوختی براحتی امکانپذیر است. به علت نبود اجزای متحرک نگهداری از آنها بسیار ساده است. بنابراین می‌توان گفت نصب و بهره‌برداری از پیل‌های سوختی بسیار ساده و مقرون به صرفه خواهد بود. پیل‌های سوختی مدولار هستند یعنی براحتی توان تولیدی از آنها قابل افزایش است. این مولدها قابلیت تولید همزمان برق و حرارت را دارند. در پیل‌های سوختی امکان استفاده از سوخت‌های تجدیدپذیر و سوخت‌های فسیلی پاک وجود دارد. امکان اتصال پیل‌های سوختی به میکروتوربین‌ها از دیگر مزیت‌های آنها به شمار می‌آید.

فرآیند تولید پیل‌های سوختی تسریع می‌شود

به‌طور کلی زئولیت‌ها (بویژه انواع طبیعی آنها)، ترکیبات دوستدار محیط‌زیست هستند که به دلیل وجود آلومینیوم و سیلیسیم در ساختار خود، دارای پایداری شیمیایی، مکانیکی و حرارتی بسیار بالایی هستند. دکتر نظامزاده اژیه ضمن تاکید این مطلب می‌افزاید: خوشبختانه، منابع غنی زئولیتی طبیعی بخصوص زئولیت کلینوپتیلولیت در نقاط مختلف کشور مثل سمنان، میانه، طبس و کرمان وجود دارد که این امر هزینه ساخت این کاتالیست را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد. از طرفی استفاده از زئولیت طبیعی سرعت فرآیند را نیز افزایش می‌دهد.

حذف مراحل ساخت زئولیت (نسبت به ساخت زئولیت مصنوعی یا دیگر کاتالیست‌های مصنوعی) دلیل افزایش سرعت تهیه کاتالیست مورد نظر و کاهش هزینه‌های آن است که حذف مراحل ساخت در این روش آلودگی زیست‌محیطی کمتری را نیز به همراه دارد. علاوه بر این، روش مکانیکی به کار رفته در تهیه‌ نانوذرات نیز آلودگی به محیط‌زیست وارد نمی‌کند. بنابراین انتظار می‌رود با ادامه فعالیت بر تولید صنعتی و تجاری‌سازی این کاتالیست درآمد زیادی عاید کشور شود.

نتایج این کار تحقیقاتی که با همکاری دکتر علیرضا نظامزاده اژیه ـ عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرضا و مهندس محمدحسین شیخ محسنی ـ کارشناس ارشد شیمی کاربردی این دانشگاه انجام شده، در مجله ELECTROCHIMICA ACTA به چاپ رسیده است.

فرانک فراهانی‌جم ‌/‌ گروه دانش