با گسترش بحران‌های محیط زیستی و چالش‌های مرتبط با تغییرات اقلیمی، یافتن منابع انرژی پاک و پایدار به یکی از دغدغه‌های اصلی جوامع صنعتی و علمی تبدیل شده است. در این میان، فناوری پیل‌های سوختی به عنوان یکی از راهکارهای مؤثر در تولید انرژی پاک و کارآمد، مورد توجه گسترده‌ای قرار گرفته است. پیل سوختی کربنات مذاب ([1] MCFC) یکی از انواع این فناوری‌ها است که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، از جمله دماهای بالا عملیاتی و قابلیت استفاده از سوخت‌های متنوع، به عنوان یک گزینه مناسب برای تولید انرژی پایدار و کم‌کربن مطرح می‌شود. البته در حال حاضر تولید انبوه پیل‌های سوختی MCFC در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارد.
برای مطالعه مقاله “نقش پیل سوختی در آینده انرژی پاک: تحلیل سه فناوری کلیدی” اینجا کلیک کنید.
هدف اصلی این مقاله، بررسی نحوه عملکرد و چالش‌های موجود در استفاده از فناوری پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC) است. همچنین بر پژوهش‌های اخیر و تلاش‌های صورت‌گرفته برای افزایش دوام، کاهش هزینه‌ها و بهینه‌سازی عملکرد این فناوری در شرایط عملیاتی واقعی مورد بررسی قرار می‌گیرد.
عملکرد پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC) یک سیستم الکتروشیمیایی است که برای تولید انرژی الکتریکی از واکنش‌های شیمیایی سوخت و اکسیژن استفاده می‌کند. این پیل‌ها به‌ویژه در دماهای بالا (بین ۶۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد) عمل می‌کنند و به‌دلیل توانایی در تولید همزمان برق و گرما (سیستم‌های CHP)، کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف پیدا کرده‌اند. در این سیستم، دو الکترود اصلی به نام‌های آند و کاتد وجود دارند که در میان آن‌ها یک الکترولیت مایع متشکل از کربنات‌های مذاب قرار دارد.
در آند، سوخت ورودی (هیدروژن) با یون‌های کربنات در الکترولیت واکنش می‌دهد که منجر به آزاد شدن الکترون‌ها و تولید جریان الکتریکی می‌شود. الکترون‌های آزاد شده از آند از طریق مدار خارجی به کاتد منتقل شده و در کاتد با اکسیژن ترکیب می‌شوند، که باعث تولید کربنات‌های جدید و بازگشت یون‌های کربنات به آند می‌گردد. این واکنش‌ها علاوه بر تولید انرژی الکتریکی، حرارت اضافی نیز تولید می‌کنند که می‌تواند برای تأمین نیازهای گرمایی در سیستم‌های CHP مورد استفاده قرار گیرد.
هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید به صورت مستقل و خارج از پیل سوختی تولید می‌شوند. هیدروژن می‌تواند از طریق فرآیند الکترولیز آب تولید شده و کربن‌دی‌اکسید از طریق جذب دودکش واحد‌های صنعتی و استفاده از فناوری جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) به‌دست آید.
کربن دی‌اکسید (CO₂) نقش کلیدی در عملکرد پیل سوختی کربنات مذاب ایفا می‌کند. در ورودی پیل سوختی، گاز خوراک حاوی حدود ۱۰ درصد کربن دی‌اکسید وارد سیستم می‌شود. حضور این مقدار CO₂ در خوراک اولیه به تثبیت یون‌های کربنات در الکترولیت کمک می‌کند و به بهبود عملکرد الکتروشیمیایی پیل کمک می‌کند. در نتیجه واکنش‌های مداوم در پیل، میزان کربن دی‌اکسید در خروجی به حدود ۷۰ درصد افزایش می‌یابد. این افزایش غلظت کربن دی‌اکسید به دلایل متعددی رخ می‌دهد. یکی از اصلی‌ترین این دلایل، تبدیل شیمیایی است که در طی واکنش‌های الکتروشیمیایی اتفاق می‌افتد؛ در این فرآیند، بخشی از کربن دی‌اکسید موجود در خوراک اولیه به کربنات‌های جدید تبدیل می‌شود که منجر به افزایش غلظت CO₂ در خروجی می‌گردد. علاوه بر این، در فرآیندهای پیشرونده و مداوم پیل سوختی، کربن دی‌اکسید تولید شده به تدریج در سیستم تجمع می‌یابد زیرا این گاز به طور کامل در واکنش‌های الکتروشیمیایی تبدیل نمی‌شود. بهینه‌سازی طراحی پیل سوختی کربنات مذاب نیز نقش مهمی در افزایش تبدیل CO₂ دارد؛ این طراحی به گونه‌ای انجام شده است که جذب و استفاده از کربن دی‌اکسید به حداکثر برسد، که نتیجه آن افزایش بازده استفاده از CO₂ می‌باشد.
در شکل زیر، عملکرد پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC) با استفاده از خوراک ورودی شامل هیدروژن و کربن دی‌اکسید نمایش داده شده است. در این فرآیند، ابتدا گاز متان از طریق فرآیند اصلاح سوخت با بخار آب واکنش داده و به هیدروژن و کربن دی‌اکسید تبدیل می‌شود. هیدروژن تولید شده وارد آند پیل سوختی شده و در آنجا با یون‌های کربنات موجود در الکترولیت واکنش می‌دهد. محصولات این واکنش شامل آب ، کربن دی‌اکسید و الکترون هستند.
الکترون‌های آزاد شده در آند، از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می‌شوند. در کاتد، این الکترون‌ها با اکسیژن و کربن دی‌اکسید واکنش داده و یون‌های جدید کربنات را تشکیل می‌دهند که مجدداً به الکترولیت بازمی‌گردند. این چرخه شیمیایی-الکتریکی نه تنها منجر به تولید مداوم و پایدار جریان الکتریکی می‌شود، بلکه حرارت اضافی تولید شده نیز می‌تواند در سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت (CHP) مورد استفاده قرار گیرد و بهره‌وری انرژی را افزایش دهد.
مزایا و معایب فناوری MCFC
یکی از اصلی‌ترین مزایای پیل سوختی کربنات مذاب، کارایی بالا است. این پیل‌ها قادرند راندمان بالایی در تبدیل انرژی سوخت به برق تولید کنند. در سیستم‌های CHP، MCFCها می‌توانند راندمان‌هایی فراتر از 80% داشته باشند که بسیار بالاتر از سیستم‌های تولید برق سنتی است. این ویژگی باعث می‌شود که MCFCها به‌عنوان یک گزینه مناسب برای نیروگاه‌های مقیاس بزرگ و کاربردهای صنعتی در نظر گرفته شوند.
از دیگر مزایای این فناوری، انعطاف‌پذیری سوخت آن است. برخلاف پیل‌های سوختی دیگر که به هیدروژن نیاز دارند، این پیل‌های سوختی می‌توانند از سوخت‌های مختلف مانند گاز طبیعی، متان، پروپان و حتی برخی گازهای فسیلی استفاده کنند. این قابلیت به MCFCها این امکان را می‌دهد که به‌عنوان یک گزینه انرژی پاک در شرایط مختلف جغرافیایی و اقتصادی مورد استفاده قرار گیرند.
همانطور که قبلا اشاره شد، MCFCها توانایی تولید همزمان برق و گرما را دارند. این ویژگی در صنایع و کاربردهایی که نیاز به تولید گرما نیز دارند، بسیار مفید است. به‌عنوان مثال، در بیمارستان‌ها، هتل‌ها، و برخی از فرآیندهای صنعتی که به انرژی حرارتی نیاز دارند، سیستم‌های CHP مبتنی بر فناوری پیل سوختی کربنات مذاب می‌توانند از هر دو منبع انرژی (برق و گرما) به‌طور همزمان بهره‌برداری کنند.
یکی از اصلی‌ترین چالش‌ها و معایب این فناوری، هزینه‌های بالای تولید آن است. تولید این پیل‌ها نیاز به مواد خاصی دارد که هزینه اولیه آن‌ها را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، فناوری‌های مربوط به تولید این پیل‌ها هنوز در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارند و در مقیاس‌های صنعتی هنوز به تولید انبوه نرسیده‌اند.
یکی دیگر از مشکلات عمده در MCFCها، حل شدن نیویدیم (NiO) در الکترولیت است. این مسئله باعث کاهش عمر مفید کاتدها و کاهش عملکرد طولانی‌مدت پیل می‌شود. علاوه بر این، خوردگی و آسیب به مواد آند به دلیل دماهای بالا و محیط‌های خورنده داخل پیل یکی دیگر از مشکلات عمده است. این مشکلات باعث می‌شود که در درازمدت نیاز به تعویض قطعات پیل بیشتر شود.
همچنین، مدیریت حرارتی در این پیل‌ها یکی دیگر از چالش‌های اصلی است. دماهای بالای عملیاتی MCFC باعث می‌شود که سیستم‌های حرارتی پیچیده‌ای برای کنترل دما و جلوگیری از آسیب به اجزا نیاز باشد.
توسعه و چالش‌ها
فناوری MCFC در طول چند دهه گذشته پیشرفت‌های قابل‌توجهی داشته است. از جمله مهم‌ترین دستاوردها، بهبود در پایداری مواد استفاده شده در این پیل‌ها است. پژوهش‌های اخیر به دنبال کاهش هزینه‌های تولید و افزایش عمر پیل‌ها هستند. در این راستا، تلاش‌ها برای بهبود مواد آند و کاتدها، به‌ویژه استفاده از مواد مقاوم‌تر در برابر خوردگی و حل شدن NiO در الکترولیت، افزایش یافته است.
همچنین، پیشرفت در سیستم‌های هیبریدی، که MCFC را با دیگر فناوری‌های تولید انرژی ترکیب می‌کنند، به یکی از زمینه‌های مهم تحقیقاتی تبدیل شده است. این سیستم‌ها به دلیل توانایی در تولید همزمان برق و گرما و همچنین استفاده از سوخت‌های مختلف، می‌توانند کاربردهای جدیدی برای MCFC در صنایع مختلف فراهم کنند.
با این حال، موانع مالی و هزینه‌های بالا همچنان به عنوان چالش‌های بزرگ پیش روی این فناوری باقی‌مانده‌اند. برای رسیدن به تجاری‌سازی و کاهش هزینه‌ها، نیاز به توسعه روش‌های تولید انبوه و بهبود در فرآیندهای ساخت و طراحی MCFCها وجود دارد.
نتیجه‌گیری
پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC) به‌عنوان یکی از فناوری‌های پیشرفته و کارآمد در زمینه تولید انرژی در دماهای بالا و سیستم‌های CHP، پتانسیل زیادی برای حل چالش‌های انرژی آینده دارد. این پیل‌ها با توانایی تولید برق و گرما به‌طور همزمان و استفاده از سوخت‌های مختلف، می‌توانند گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای صنعتی و نیروگاهی باشند. با این حال، چالش‌هایی نظیر هزینه‌های بالا، مشکلات مربوط به پایداری مواد و خوردگی همچنان مانع از تجاری‌سازی کامل این فناوری می‌شود. با این وجود، پیشرفت‌های اخیر در زمینه تحقیقات مواد، طراحی سیستم‌ها و تولید انبوه، نویدبخش آینده‌ای روشن برای MCFCها به‌عنوان یک گزینه مهم در تأمین انرژی پایدار و کارآمد است.
مراجع
[1] Molten Carbonate Fuel Cell
