پیل‌های سوختی کربنات مذاب که الکترولیت آن‌ها ترکیبی از کربنات‌های قلیایی مثل لیتیم و سدیم می‌باشد، درون محفظه‌ای سرامیکی از جنس قرار می‌گیرند. دمای کاری آنها بین °c600 تا °c700 می‌باشد که در این دماها کربنات نمک مذاب دارای رسانندگی بالا بوده و یون‌های کربنات، هدایت یونی را ایجاد می‌کنند. این نوع پیل‌های سوختی هنوز تجاری نشده و برای ایستگاه‌های تولید قدرت ساکن قابل استفاده می‌باشند.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

۲-۲-۵ پیل‌های سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی اکسید جامد از اکسید فلزی غیرمتخلخل جامد (معمولاً پایدار شده در )‌ بعنوان الکترولیت استفاده می‌کنند. دمای کاری آنها بین °c800 تا °c1000 می‌باشد که در این محدوده دمایی، یون‌های اکسیژن قابلیت هدایت یونی پیدا می‌کنند. این نوع پیل‌های سوختی نیز به مرحله تجاری نرسیده‌اند و از مقیاس‌های کوچک آن‌ها برای تولید قدرت با قابلیت جابجاشدن و سیستم‌های کمکی در اتوبوس‌ها استفاده شده است. شکل (۲-۵) مبانی اساسی و واکنش‌های الکتروشیمیایی انواع مختلف پیل‌های سوختی همراه دمای عملکردی آنان را نشان می‌دهد.
۲- ۳ طریقه عملکرد پیل سوختی پلیمری
واژه PEM به معنی غشای الکترولیت پلیمری^[۲۲] یا غشای تبادل پروتونی^[۲۳] است. در مرکز پیل سوختی پلیمری غشایی از جنس پلیمر وجود دارد که دارای چندین قابلیت است. به دلیل استفاده از این نوع غشا است که این نوع پیلهای سوختی را به پیل سوختی پلیمری می شناسند. این غشا در برابر گازها نفوذ ناپذیرند ولی از توانایی انتقال پروتون برخوردارند و به همین دلیل این نوع پیلها

شکل (۲-۵) انواع پیل سوختی همراه با نوع واکنش و دمای کارکرد آنان ]۲[
را پیل سوختی غشا تبادل پروتونی نیز می نامند. غشاهای پلیمری که نقش الکترولیت را ایفا می کنند، بین دو ناحیه متخلخل از جنس کربن قرار می گیرند که الکترودهای حاوی جریان الکتریسیته می باشند. این الکترودها معمولا از جنس پوششهای کربن یا صفحات فیبرکربنی می باشند. بین الکترود متخلخل و غشای پلیمری، لایهای کربنی با روکشی از بسته های کاتالیستی معمولا از جنس پلاتینـــیوم قرار دارد که واکنشهای شیمیایی روی آن انجام میگیرد. شکل (۲-۶) پیکربندی و اساس عملکرد پیل سوختی پلیمری را نشان می‌دهد.
واکنش‌های شیمیایی بر روی سطح کاتالیست که در سطح مشترک الکترود و غشا قرار دارد، صورت می‌پذیرد. هیدروژن از یک طرف ]از سمت الکترود آند یا الکترود مربوط به سوخت[ به سمت غشا تغذیه شده و به یون‌های اولیه‌اش تجزیه می گردد و بصورت پروتون و الکترون درمی‌آید. هر اتم هیدروژن شامل یک الکترون و یک پروتون است. پروتون‌ها از طریق غشای پلیمری به سمت الکترود دیگر حرکت می‌کنند، در حالی‌که الکترون‌ها توسط الکترودهای رسانای جریان الکتریکی و از طریق

شکل (۲-۶) اساس عملکرد پیل سوختی پلیمری ]۲[
جمع‌کننده‌های جریان به یک مدار بیرونی هدایت شده و جریان الکتریکی در یک مدار خارجی ایجاد می‌شود و جریان پس از عبور از این مدار بیرونی به طرف دیگر غشا برمی‌گردد. پروتونی که از داخل غشا و الکترونی که از مدار خارجی به سمت دیگر غشا رفته‌اند، در محل کاتالیست به هم می‌رسند. با توجه به اکسیژنی که از سمت دیگر غشا به غشا تغذیه می‌شود ]الکترود کاتد[ طی یک واکنش الکتروشیمیایی آب تولید می‌گردد و با توجه به جریان اضافی اکسیژن، آب ایجادی به خارج سلول هدایت می‌گردد. نتیجه خالص این واکنش‌های همزمان، جریان مستقیم الکترون‌هاست که از طریق مدار خارجی ایجاد می‌گردد. الکترودی که به آن هیدروژن تغذیه می‌شود، الکترود منفی یا الکترود آند نامیده می‌شود و الکترودی که به آن اکسیژن تغذیه می‌شود، الکترود مثبت یا الکترود کاتد نامیده می‌شود.
۲-۴ اهمیت نیازمندی به پیل‌های سوختی
پیل‌های سوختی انرژی‌های نوید دهنده‌ای هستند که روز به روز کاربرد آن‌ها در عرصه‌های گوناگون روبه گسترش است. این نوع پیل‌ها خصوصیات بسیاری دارند که آنان را در مقایسه با دیگر منابع انرژی جذاب و قابل توجه می‌کند که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
۲-۴-۱ بازدهی بالا
پیل های سـوختی از قوانین حاکم بر ماشــین های گرمایی تبـعیت نمی کنند، از این رو بازدهی
آنها به ســـه برابر ماشین های گرمایی می رسد. بر اساس نوع و طراحی، بازدهی الکتریکی پیل های سوختی حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد (کـمترین ارزش گرمایی) می باشد. بازدهی پیل سوختی ثابت و مستقل از اندازه آنها می باشد. وقتی که از گرمای خروجی آنها نیز استفاده شـــــود بازدهی تقریبا به ۸۵ درصد می رسد.
۲-۴-۲ تنظیم سیستم بر حسب نیاز
پیل های سوختی بسیار انعطاف پذیر هستند. یعنی می توان در هر لحظه یک یا چند توده پیل را به کار گرفت و یا از کار انداخت. توان خروجی آنها بسیار متغیر است (گستره توان خروجی از ۱۰۰ مگاوات برای سوخت زغال سنگ تا بیش از ۵۰۰ مگاوات برای گاز طبیعی در تغییر است). ارزش تمام شده توده پیل به ازای هر کیلو وات برای یک نیروگاه بزرگ و یا کوچک یکسان است، چرا که بازدهی الکتریکی به طور منفرد محاسبه می شود و تعداد پیل روی بازدهی کلی کم اثر است.
۲-۴-۳ سازگاری با قوانین محیط زیست
پیل های سوختی دارای بازدهی بالا می باشند و در هر توان خروجی، دی اکســـید کربن تولید شده، کم می باشد. این پیل ها بی سر و صدا هستند و صدای آنها ۶۰ دسی بل در هر متر مربع می باشد، از این رو قابل نصب در هر محلی می باشند. پیل های سوختی را می توان به گونه ای طراحی کرد که از لحاظ مقدار آب مورد نیاز خود کفا باشند.
۲-۴-۴ انعطاف پذیری نسبت به سوخت
هیدروژن سوخت اصلی پیل های سوختی است که از تفکیک آب، گاز طبـــــــیعی، زغال سنگ، متانول و دیگر سوخت های هیدروکربنی بدست می آید.
۲-۴-۵ افزایش تولید و کاهش توزیع
با توجه به نیاز روز افزون به انرژی در مناطق دور دست در صورت استفاده از پیل ســـوختی مشکلات توزیع با کاهش خطوط جدید انتقال انرژی برطرف می شود. هم اکنون ۸ تا ۱۰ درصد از انرژی تولید شده بین نیروگاه و مصرف کنندهها از طریق خطوط انتقال هدر می رود ولی با بهره گرفتن از پیلهای سوختی اتلاف انرژی الکتریکی در هنگام انـتقال کاهش می یابد و بازدهی کلی تبدیل سوخت، بهینه می شود همچنین خطر ناشی از از میدان های الکترومغناطیــسی موجود در اطراف خطوط انتقال نیرو در ولتاژ بالا از بین می رود.
۲-۴-۶ عدم نیاز به تعمیر
چون پیلهای سوختی قطعات متحرکی ندارند از این رو نیاز پی در پی به تعمیر نداشته و تنها تعویـــض فیلتر هوا و مواد جاذب، مورد نیاز است. حداقل زمان تعویض قطعات ۵ سال است ، هر چند انتظار می رود که این زمان به ۲۰ سال یا بیشتر هم برسد.
۲-۴-۷ عدم انتشار یا حداقل پراکندگی انرژی
در این پیل‌ها هم پراکندگی انرژی در حین تولید برق وجود دارد، مخصوصاً اگر بجای هیدروژن از
متانول مایع بعنوان سوخت استفاده کنیم که اکسیدهای کربن ایجاد می‌کند ولی در حالت کلی میزان پراکندگی انرژی آنان در مقایسه با روش‌های سنتی تولید جریان بسیار کم است.
۲-۴-۸ سادگی ساختار
پیل‌های سوختی بسیار ساده‌اند، آن‌ها از لایه‌هایی با قطعات تکراری ساخته شده‌اند و به همین دلیل در مقایسه با تکنولوژی سنتی جریان برق نیازمند مجموعه‌ای عظیم و سنگین جهت تولید جریان الکتریسیته نیستند و ماهیتی بسیار ساده دارند.
۲-۴-۹ سایز و ابعاد کوچک
پیل‌های سوختی ممکن است در سایزهای متنوعی ساخته شوند، از یک میکرو وات تا چند مگاوات، که این خاصیت پیلها سبب استفاده آنان در کاربردهای متفاوت شده است، همچنین سایزهای کوچک و سبکی برخی انواع پیل‌های سوختی سبب شده تا در زمره باتری‌ها قرار گیرند و در وسایلی که سبکی آن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است ]صنعت هواپیمایی[ کاربرد گسترده‌ای داشته باشند.
۲-۵ کاربردهای پیل سوختی
بدلیل مزایای زیاد آن، کاربردهای متفاوتی در صنعت دارد. شکل (۲-۷) برخی کاربردهای پیل سوختی را نشان می‌دهد.

شکل (۲-۷) مجموعه‌ای از کاربردهای مختلف پیل‌های سوختی ]۲[
کاربردهای پیل سوختی متنوع‌اند که می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
۲-۵-۱ سیستم‌های قدرت
– نیروگاه‌ها
– کارخانجات
۲-۵-۲ سیستم‌های حمل‌ونقل
– خودروها
– اتوبوس‌ها
– کشتی‌ها
– لوکوموتیوها
۲-۵-۳ سیستم‌های پرتابل
– تلفن همراه
– نوت بوک
۲-۵-۴ دستگاه‌های صوتی و تصویری
۲-۵-۵ سیستم‌های نظامی
– سایت‌های نظامی