به نام یگانه مهندس گیتی

1. به نام یگانه مهندس گیتی پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC) تهیه کنندگان: محمد علی ابطحی ناصر بهارلو فروردین 91

2. پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC) مقدمه پیل سوختی اسید فسفریک اولين پيل‌سوختي تجاري ميباشد كه توسعه آن از اواسط دهه 1960 آغاز گشت و از سال 1970 در مرحله آزمايش قرار گرفت و همچنان در حال توسعه در زمينه افزايش پايداري و عملكرد و کاهش هزينه مي‌باشد. الکترولیت مورد استفاده در اين پيل‌سوختي اسيدفسفريك با غلظتي در حدود %100 می‌باشد. محدوده دماي كاركرد اين پيل‌سوختي بين 150 تا 220 درجه سلیسیوس است. هدايت يوني در اسيدفسفريك نسبتاً ضعيف است ولي به علت پایداری بیشتر نسبت به ساير اسيدها جهت استفاده در اين نوع پيل‌سوختي ارجحيت دارد.

3. پيل‌سوختي اسيدفسفريك به CO2 حساسیتی نداشته و حضور CO تا حد 2 درصد مشکلی ایجاد نمی‌کند. • كاتاليست مورد استفاده در پيل‌سوختي اسيد فسفريک پلاتين و ماتريسي كه براي نگه‌داري اسيد به كار مي‌رود از جنس كاربيد سيليكون (SiC) است. • بازده الكتريكي اين نوع پيل‌سوختي در حد 45%-40% است كه با استفاده از حرارت حاصل از واكنش‌هاي الكتروشيميايي در کاربردهاي توامان برق و حرارت ميزان بازده کلي (الکتريکي و حرارتي) به 85% افزايش مي‌يابد[1]. • تامین هيدروژن مورد نياز براي پيل‌سوختي اسیدفسفريک با به کارگیری يك مبدل خارجي انجام می‌گیرد که در آن سوخت هيدروكربن به هیدروژن تبدیل مي‌شود.

4. وجود گوگرد حتی در کمترین مقدار موجب صدمه دیدن کاتالیست می‌شود. از این رو جداسازی کامل سولفور از سوخت هیدروکربنی مصرفی امری ضروری می‌باشد. گرماي بوجود آمده در پيل‌سوختي اسيدفسفريک می‌تواند در كاربرد تركيبي گرما و برق مورد استفاده قرار گیرد. سوخت مورد استفاده در پیل‌سوختی اسیدفسفریک هیدروژن می‌باشد و یون هیدروژن H+ نقش حامل بار را ایفاء می‌کند. همانند پیل‌های سوختی پلیمری هيدروژن در آند به پروتون و الكترون تفکیک شده و پروتون از طریق الکترولیت و الکترون از طریق مدار بیرونی به کاتد منتقل می‌شوند. در كاتد الكترون‌ها، يون‌هاي هيدروژن و اكسيژن واکنش داده و آب تولید می‌گردد. واکنش‌های آند، کاتد و واکنش کلی پیل در ذیل ارائه شده است. از نکاتی که می‌بایست در پیل‌سوختی اسیدفسفریک مدنظر قرار گیرد، مقاومت اجزای آن می‌باشد، که بایستی در برابر خورندگی اسید مقاومت بالایی از خود نشان دهند

5. واکنش ها • در آند • در کاتد • . واکنش عمل عبارت است از

6. . شکل 1: اصول کارکرد پیل سوختی فسفریک اسید. .

7. کاربرد و تاریخچه تعداد واحدهای ساخته شده از این نوع پیل از سایر تکنولوژی های ساخت پیل بیشتر می باشد, با بیش از 85 مگاوات برق تولیدی تست شده یا در حال تست که در سرتاسر جهان در حال ساخت می باشد. بیشتر نیروگاه هایPAFC دارای رنج ظرفیت 50 تا 200 کیلووات می باشند ولی نیروگاه های بزرگ تر از ظرفیت 1 مگاوات تا 5 مگاوات نیز ساخته شده اند. بزرگترین پلانت در حال کار تا کنون به ظرفیت 11 مگاوات با توان تولید برق ac در حال کار می باشد. تلاش های زیادی در ایالات متحده بر روی بهبود ایستگاه­هایPAFC نیروگاههای ثابت و نیروگاههای تولید همزمان انجام شده است. صنایع مهم دخیل در این زمینه شامل UTC FUEL CELL در ایالات متحده، کمپانی FUJI ELECTRIC و کمپا نی Toshiba و کمپانی الکتریکی Mitsubishi در ژاپن می باشد.

8. شکل2- سيستم 200 کيلووات پیل سوختی فسفریک اسید از مرکزAnchorage Mail Processing در آلاسکا [2].

9. شکل3- سیر تاریخی کاربرد پیل سوختی PAFC[3].

10. شکل 4- نمونه کار یک PAFC در یک نیروگاه یا منطقه صنعتی[4].

11. اجزای پیل • در سالهای اخیر در طراحی پیل تغییرات اندکی انجام شده است. سازنده معروف آمریکایی UTC FUEL CELL، بر روی بهبود شرایط پایداری و طول عمر پیل و بهبود قابلیت اطمینان اجزای سیستم همراه با کاهش هزینه تمرکز کرده است. • در اواسط دهه 60 الکترودهای متخلخل معمول PTFE بود که میزان وزن آن 9 میلی گرم بر سانتی متر مربع بود. در طول دو دهه اخیر پلاتینیم نگهداری شده در کربن سیاه با پلاتینیوم نگهداری شده در PTFE متخلخل جایگزین شده است. همچنین تغییر قابل ملاحظه در وزن پلاتینیوم اتفاق افتاد، وزن پلاتینیوم در حال حاضر حدود 0/1 میلی گرم بر سانتی متر مربعدر آند و 0/5 میلی گرم بر سانتی متر مربع در کاتد می باشد.

12. دمای عملکرد و غلظت اسید در PAFC ها به منظور دستیابی به عملکرد بالاتر پیل افزایش یافته است، دما در حدود 200 درجه سلیسیوس و غلظت اسید فسفریک 100 درصد امروز، استفاده می شود. اگر چه تکنیک کنونی عملکرد در فشار اتمسفریک می باشد، فشار عملکرد PAFCها در پلانت های 11 مگاوات تا 8 اتمسفر در جهت افزایش راندمان نیروگاه افزایش می یابد. در هر حال تمرکز کاربردهای تجاری در عملکرد فشار یک می باشد. اگر چه افزایش فشار راندمان را افزایش می دهد، یونیت را پیچیده و هزینه ها را زیاد می کند.

13. مورد مهم دیگر مستقل از سایز یونیت تولید توان، افزایش فشار خوردگی را توسعه می دهد. الکترولیت اسیدفسفریک تولید بخار می کند. این بخار که در سرتاسر الکترولیت شکل می گیرد. خاصیت خورندگی از مناطق پیل به جز محدوده اکتیو پیل دارد. مناطق خوردگی در ولتاژ متوسط (ولتاژ پیل و ولتاژ مدارباز) می باشند که می تواند بیش از 0.8 ولت باشد. (مناطق اکتیو محدود به عملکرد در پائین تر از 0.8 ولت می شود). افزایش در فشار پیل، فشار جزئی اسید فسفریک را افزایش می دهد و موجب افزایش خوردگی در پیل می شود.

14. یک شکاف اساسی در تکنولوژی PAFC که در اواخر سال 1960 اتفاق افتاد، توسعه کربن سیاه و گرافیت بر اساس مواد ساختار پیل بود. کربن سیاه و گرافیت به اندازه کافی پایدار بود تا جانشین صفحه از جنس طلا که در آن زمان استفاده می شد بشود. استفاده از صفحات گرافیت برای نگهداری پلاتینیوم موجب کاهش قابل توجه وزن پلاتینیوم بدون تغییر در کارآیی الکترود شد. در هر حال خوردگی کربن و انحلال پلاتینیوم در ولتاژهای حدود 0.8 ولت یک مشکل است. [5].

15. الکترودهای متخلخل مورد استفاده در PAFC شامل ترکیبی از الکترود کاتالیست نگهداری شده در کربن سیاه و یک چسب پلیمری است. PTFE ذرات سیاه کربن را جهت تشکیل یک توده جدائی ناپذیر ولی متخلخل به هم می چسباند که بر روی یک زیر لایه گرافیتی متخلخل نگهداری می شود. ساختار گرافیتی یک نگهدارنده برای لایه الکتروکاتالیست فراهم می کند. همچنین به عنوان جمع کننده جریان است که تا 60 درصد با اشباع سازی توسط PTFE کاهش می یابد. این ساختار گرافیتی ضد رطوبت شامل سوراخ های در مقیاس ماکرو از قطر 3 تا 50 میکرومتر و سوراخهایی در مقیاس میکرو، با قطر 34 آنگستروم جهت نفوذپذیر سازگار می باشند. ساختار کامپوزیتی شامل لایه کربن سیاهPTFE بر روی لایه زیرین گرافیتی می باشد که یک فصل مشترک پایداری سه فازی در پیل تشکیل می دهد با حضور الکترولیت اسید فسفریک در یک سمت و محیط واکنش گاز در سمت دیگر.

16. جدول1- سیر تاریخی تکنولوژی اجزا پیل سوختی فسفریک اسید.

17. صفحات دو قطبی • صفحات دو قطبی واحدهای پیل را از هم جدا می کند و آنها را از لحاظ الکتریکی در پیل سوختی سری می کند .در بعضی از طرح ها، صفحه دو قطبی همچنین شامل کانال های گاز جهت خوراک دهی گازهای واکنش دهنده به الکترودهای متخلخل و جداسازی محصولات واکنش و مواد خنثی می شود. صفحات قطبی ساخته شده از مخلوط رزین گرافیت که در دماهای پائین کربونایز می شوند به دلیل آسیب دیدن در محیط عملکرد PAFC مناسب نیستند. در هر حال پایداری و دوام خوردگی توسط عملیات حرارتی تا 270 درجه سلیسیوس بهبود می یابد. صفحات دو قطبی از جنس گرافیت خالص به اندازه کافی در مقابل خوردگی مقاوم هستند به طوریکه داری طول عمر 40000 ساعت در PAFC می باشد ولی هزینه تولید آن بالاست. طراحی های مختلفی برای صفحه دوقطبی و اجزای وابسته به آن وجود دارد. یک پیل سوختی PAFC شامل سلولهای متصل به هم به صورت سری است تا سطح ولتاژ مورد نیاز با بار را تولید نماید. در چنین آرایشی، هر واحد سلول توسط صفحات بین سایر سلولها قرار می گیرد.

18. شکل5- بهبود عملکرد پیل سوختی فسفریک اسید.

20. جدول 2- عملکرد چند نوع پیل سوختی پیشرفته فسفریک اسید

21. منابع: [1]. fcc.gov.ir [2] http://www.wisconsindr.org. .[3] FETC Perspective on the DOE Stationary Power Fuel Cell Program,” Rita A. Bajura, 1997 [4] PAFC History and Successes, John Ferro, Manager Product Development, UTC Power, A United technologies company [5] Fuel Cell Handbook(Seventh Edition), EG&G Technical Services, Inc.U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, Morgantown, West Virginia 26507-0880, November 2004

22. با تشکر از توجه شما