محققان ایرانی، طراحی و توسعه مدل سه‌بعدی پیل سوختی اسید جامد را که جدیدترین نسل پیل‌های سوختی در جهان است، با موفقیت به انجام رساندند و به این ترتیب، اولین گام تولید این پیل‌ها در کشور برداشته شد.

 محمدرضا اوصافی، دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی شیمی گرایش جداسازی و طراحی فرایند دانشگاه صنعتی امیرکبیر و محقق طرح اظهار کرد: پیل‌های سوختی اسید جامد، نسل جدیدی از پیل‌های سوختی هستند که در آنها از اسیدهای جامد به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود و در حال حاضر از میان ترکیبات اسید جامد، ترکیب CsH2PO4 (سزیم - دی هیدروژن - فسفات)، پرکاربردترین و مناسب‌ترین ترکیب برای استفاده در پیل‌های سوختی به شمار می‌آید.

وی افزود: الکترولیت‌های حالت جامد به دلیل تسهیل در امر انتقال پروتون بدون آب، آینده درخشانی برای کاربرد در پیل‌های سوختی دارند و بازده بالا، عدم خوردگی در پیل، امکان ساخت پیل در ابعاد مختلف و هزینه ساخت کم از جمله مزایای این‌گونه پیل‌ها است.

اوصافی با بیان این‌که اکنون حدود 8 تا 9 نوع پیل سوختی وجود دارد که تفاوتشان در نوع الکترولیت آنهاست، خاطرنشان کرد: پیل سوختی به طور کلی از سه بخش الکترود کاتد، الکترود آند و الکترولیت تشکیل می‌شود و تفاوت این پیل سوختی اسید جامد با دیگر انواع آن در الکترولیت است؛ زیرا ما بر اساس نوع نیازمان، نوع الکترولیت پیل را انتخاب می‌کنیم تا توان‌های الکتریکی مختلفی از آن گرفته شود.

دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی شیمی گرایش جداسازی و طراحی فرایند دانشگاه صنعتی امیرکبیر که بیش از یکسال زمان برای این طرح تحقیقاتی صرف کرده است، تصریح کرد: در این پیل‌های جدید، الکترولیت از نوع اسید جامد است که ما از اسید جامد "سزیم - دی هیدروژن - فسفات" استفاده کردیم که این ترکیب به تنهایی و به صورت خالص، شکننده و ضعیف است و حتی در آب حل می‌شود؛ بنابراین از کامپوزیت‌های آن استفاده کردیم و یک ماده سخت‌تر را به عنوان پایه قرار دادیم.

اوصافی در تشریح مزایای پیل‌های سوختی اسید جامد توضیح داد: مقاومت مناسب الکترولیت در برابر ناخالصی‌هایی مانند منوکسید کربن (CO) در سوخت از جمله ویژگی‌های قابل توجه این پیل‌هاست که همین مقاومت مناسب در برابر مسمومیت ناشی از ناخالصی‌های سوخت، نیاز به تصفیه سوخت‌های ریفورم شده را برطرف می‌کند.

وی عدم خوردگی و عمر طولانی را از دیگر مزایای این نوع پیل‌ها ذکر کرد و گفت: پیل‌های اسید جامد، بدون رطوبت کار می‌کنند و همین باعث می‌شود به مرور زمان، دچار خوردگی نشوند؛ درصورتی‌که بقیه پیل‌ها چون محتوی آب هستند به تدریج دچار خوردگی می‌شوند؛ بنابراین پیل‌های اسید جامد، عمر طولانی‌تری دارند.

این محقق جوان ادامه داد: در حال حاضر پایداری پیل‌های سوختی اسید جامد با الکترولیت CsH2PO4، در زمان‌های بیشتر از دو هزار ساعت در سوخت‌های مختلف ثابت شده است و البته این طول عمر به نوع کامپوزیت و دمایی که پیل در آن کار می‌کند، بستگی دارد.

وی حذف کاتالیست‌های فلزات گران قیمت را از دیگر مزایای پیل‌های سوختی اسید جامد برشمرد و گفت: در ساختار کاتالیست پیل‌های سوختی رایج، اغلب از فلزات گران قیمتی مانند پلاتین یا نیکل استفاده می‌شود؛ اما از آنجا که پیل‌های سوختی جدید در دماهای میانه (حدود 200 تا 250 درجه سانتیگراد) کار می‌کند، می‌توان از کاتالیست‌های ارزان قیمت‌تری برای ساخت آن استفاده کرد.

اوصافی، انعطاف پذیری در انتخاب سوخت را به عنوان دیگر مزیت مهم پیل‌های سوختی اسید جامد معرفی کرد و افزود: در این پیل‌ها می‌توان از سوختهای مختلفی مانند هیدروژن، سوختهای دیزلی، اتانول و متانول استفاده کرد و همین ویژگی باعث کاربرد گسترده آنها شده و در کشوری مانند آمریکا از این نوع پیل‌ها در صنایع نظامی، استقبال خوبی شده است.

وی به جدید بودن موضوع تحقیق در کشور اشاره کرد و گفت: تاکنون روی شبیه‌سازی این نوع پیل‌ها در کشور کار نشده بود و همین کار ما را مقداری سخت کرده بود؛ از همین رو شبیه‌سازی پیل حدود یکسال به طول انجامید.

وی تصریح کرد: شبیه‌سازی، روشی است که از هزینه‌های اضافی جلوگیری می‌کند؛ چون کار در آزمایشگاه دشوار و پر هزینه است و از طرف دیگر، تمام امکانات همیشه فراهم نیست و ممکن است فرایند آزمایش، ماه‌ها طول بکشد و در نهایت، شاید نتیجه‌ای هم از آن به دست نیاید.

اوصافی افزود: اما شبیه‌سازی به ما کمک می‌کند قبل از ساخت پیل پیش‌بینی کنیم که چه توان الکتریکی را می‌توان از این پیل گرفت و یا اینکه چه شدت جریانی را می‌تواند برای ما تولید کند.

وی خاطرنشان کرد: در این طرح تحقیقاتی که با راهنمایی دکتر منصور کلباسی، استاد دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام گرفته، مدل سه بعدی و نمودارهای مختلف طراحی شد که مهم‌ترین آن نمودار پلاریزاسیون (شدت جریان و توان الکتریکی تولیدی) است و مقایسه منحنی‌ها با شرایط تجربی، مطابقت مناسبی داشته است و مزیت مدل حاصل، توانایی آن در پیشگویی رفتار پیل سوختی اسید جامد، تحت شرایط عملکردی مختلف است.

به گفته وی، با فعالیت‌های صورت گرفته می‌توان در گام بعد، وارد مرحله تولید آزمایشگاهی پیل‌های سوختی اسید جامد شد.

اوصافی تصریح کرد: دستیابی به دانش فنی و همچنین تولید پیل‌های سوختی اسید جامد، علاوه بر کاهش هزینه‌ها، عمر طولانی‌تر پیل و دسترسی آسان در شرایط مختلف، مزایای زیست محیطی نیز به دنبال دارد؛ زیرا این‌گونه پیل‌ها با سوخت‌های تجدیدپذیر کار می‌کنند. به عنوان مثال، یکی از ورودی‌های این پیل‌ها هوا است که به عنوان اکسید کننده عمل می‌کند و یک سوخت وارد آن می‌شود که می‌تواند هیدروژن باشد و در این شرایط ، خروجی آن انرژی برق و مقداری آب است که هیچ آلودگی زیست محیطی ندارد.

مجری طرح تحقیقاتی شبیه‌سازی پیل سوختی اسید جامد با الکترولیت «سزیم - دی هیدروژن - فسفات» در رابطه با جزئیات این طرح گفت: در این کار، مدل سه بعدی برای یک پیل سوختی اسید جامد صفحه‌ای توسعه داده شده و در نهایت منحنی‌های عملکردی پیل (ولتاژ- دانسیته جریان و دانسیته جریان- دانسیته توان) با داده‌های تجربی موجود در مقالات مقایسه شده است و مطابقت خوبی نشان می‌دهد.

بر اساس این گزارش، پیل سوختی اسید جامد در سال 2004 میلادی برای اولین بار در سطح آزمایشگاهی به نمایش درآمد و امروزه استک‌هایی با ظرفیت 1.4 کیلو وات با این فناوری ساخته شده است.

در سال 2009 میلادی، شرکت کانادایی سافسل با هدف تجاری‌سازی پیل سوختی اسید جامد تأسیس شد و تاکنون موفق شده است آن را برای کاربردهای نظامی و استفاده برای تأمین برق کمکی توسعه دهد و استک‌های تولیدی، توسط این شرکت از چند 10 وات تا چند 10 کیلو وات ظرفیت دارند.

در سال 2011 میلادی، این شرکت استکی با توان تولیدی 1.4 کیلووات برای شرکت نروژی نوردیک ساخت که با یک ریفورمر دیزلی یکپارچه شده است و از سوخت دیزلی استفاده می‌کند.

در سال 2014 میلادی، این شرکت به سفارش ارتش آمریکا، اقدام به ساخت استک‌های 50 واتی کرد که قابلیت پوشیدن توسط سربازان را داشته باشند.

در نهایت در سال 2015 میلادی، اولین پیل سوختی اسید جامد با قابلیت تبدیل پروپان به برق به وسیله این شرکت رونمایی شد.

با توجه به جدید بودن و مزایای استفاده از این نوع پیل سوختی نسبت به دیگر انواع آن، پژوهشگران ایرانی برای دستیابی به فناوری و عقب نماندن از دانش روز دنیا، وارد میدان شده و فعالیت‌های پژوهشی عمیق و منسجمی در این رابطه آغاز کردند که خوشبختانه اولین گام این حرکت به خوبی و با موفقیت برداشته شده است.