كاربرد نظامي

كاربرد پيل‌سوختي در پايگاه‌ها و قرارگاه‌هاي نظامي
علي‌رغم سيستم‌هاي توليد و انتقال برق در برخي كشورها كه از ضريب اطمينان بالايي برخوردارند، جهت افزايش ضريب اطمينان دسترسي به برق، ايجاد نيروگاه‌هاي مستقل جهت توليد الكتريسيته در پايگاه‌هاي حساس بخش‌هاي مختلف نظامي، از چند سال پيش مورد توجه قرار گرفته است.
استفاده در مراكز هسته‌اي: يكي از مهمترين بخش‌هاي مربوط به چرخه توليد سوخت هسته‌اي در مراكز هسته‌اي دنيا، تأمين برق مورد نياز در قسمت‌هاي مختلف فرآوري اورانيوم (توليد‌ UF6 گازي و محصولات اورانيوم‌دار) و مرحله غني‌سازي اورانيوم (توليد UF^ 235) است كه امروزه با توجه به كارآيي مطلوب پيل‌هاي‌سوختي در توليد برق، برق لازم در اين موارد با استفاده از اين فن‌آوري بدون اتصال به شبكه سراسري برق و ... تأمين مي‌شود.

علاقه پنتاگون به پيل‌سوختي: پنتاگون نيز مانند بخش خصوصي امريكا، اما با دلايل متفاوت، به تكنولوژي پيل‌سوختي علاقه‌مند است. از دلايل علاقه‌مندي ارتش امريكا به اين مولد انرژي، قابل حمل بودن مولد‌هاي كوچك پيل‌سوختي، راندمان بالا و قابليت استتار به علت حرارت پايين و توليد صداي ناچيز پيل‌سوختي مي‌باشد. در حال حاضر محققان زيادي در امريكا با حمايت مالي ارتش، بر روي توسعه پيل‌سوختي جهت كاربردهاي مختلف تسحيلاتي و اطلاعاتي، با انجام پروژه‌هاي گوناگون كار مي‌كنند. يكي از اولين و مهمترين كاربردهاي پيل‌سوختي در بخش پياده نظام است (در حال حاضر يك سرباز پياده نظام بيش از پيش از تجهيزات الكترونيكي استفاده مي‌كند) يكي از پرفسورهاي دانشكده مهندسي دانشگاه Case Western Reserve كه بر روي پروژه پيل‌هاي‌سوختي سبك با سرمايه‌گذاري وزارت دفاع كار مي‌كند، عقيده دارد كه ارتش امريكا وسايل الكترونيكي زيادي در اختيار سربازان خود قرار داده است. اين وسايل باعث مي‌شود كه سربازان وزن زيادي را حمل كنند. بنابراين يك روش كاهش وزن، دستيابي به مولد انرژي با راندمان بالا است.
بعضي از پيل‌هاي‌سوختي كوچك آزمايشي، طول عمري بيش از ده باتري معمولي دارند. اين پيل‌هاي‌سوختي منبع انرژي كامپيوترهاي دستي است كه در جنگ استفاده مي‌شوند. با اين كار، احتياجي به حمل باتري‌هاي يدكي سنگين نمي‌باشد. پيل‌هاي‌سوختي بزرگتر، مي‌توانند براي مولدهاي برق سيار استفاده شوند.
ارتش تصميم دارد پيل‌سوختي را در موارد زير به كار ببرد:
- استفاده از پيل‌سوختي در تانك‌ها، زره‌پوش و خودروهاي نظامي. به علت كاركرد در درجه حرارت پايين و كم صدا بودن پيل‌سوختي، رديابي اين خودروها نسبت به خودروهاي با موتور درون‌سوز مشكل‌تر خواهد بود.
- استفاده از پيل‌سوختي در كشتي‌ها و ناوهاي دريايي. پيل‌سوختي به عنوان منبع انرژي مستقل جانبي باعث مي‌شود كه در زمان از كار افتادن موتورخانه، سيستم‌هاي حساس عملياتي به كار خود ادامه دهند. به علت اينكه پيل‌سوختي هيچ‌گونه قطعه متحركي ندارد، در شرايط بحراني دچار خرابي نخواهد شد.
- استفاده از پيل‌سوختي در تراشه‌هاي حسگر. پيل‌هاي‌سوختي بسيار كوچك مي‌توانند ماه‌ها به‌طور مداوم كار كنند. لذا اين نوع پيل‌سوختي به عنوان منبع انرژي براي تراشه‌هاي حسگر گازهاي شيميايي به كار مي‌رود تا به سربازان جهت حفظ فاصله مناسب هشدار دهند.
ارتش رژيم صهيونيستي به دنبال كاربرد مولدهاي پيل‌سوختي: شركت (MDL) Madis Technologies اعلام كرد كه يك سفارش 75 هزار دلاري از ارتش رژيم صهيونيستي دريافت كرده است. براساس اين قرارداد، اين شركت متعهد شده كه مشخصات مورد نياز يك سيستم انرژي (پيل‌سوختي متانولي) را براي يك سرباز، تعريف نموده و طراحي اوليه آن را نيز انجام دهد. اين شركت اميدوار است كه با انجام موفق اول برنامه توسعه پيل‌سوختي ارتش صهيونيستي، سفارشات بعدي تداوم يابد. مدير عامل اين شركت مي‌گويد، ما از اين‌كه اولين قرارداد اين برنامه نظامي مهم را دريافت كرده‌ايم بسيار خشنوديم. سرباز امروزي مقادير زيادي از تجهيزاتي پيچيده كه مصرف انرژي بالايي دارند را با خود به ميدان نبرد مي‌برد و ما معتقديم كه پيل‌سوختي، پتانسيل ارائه تنها راه‌حل مقرون به صرفه جهت برآورده كردن انرژي مورد نياز را دارد در حالي كه محدوديت‌هاي حجمي و وزني را نيز پاسخگو خواهد بود.
گروه تحقيقات كاربردي و توسعه صنعتي دانشگاه تل‌آويو تلاش دارد تا با تشويق سرمايه‌گذاران، سرمايه 5 ميليون دلاري لازم جهت راه‌اندازي شركت تازه تأسيس "سوخت سبز" را تأمين نمايد. فعاليت اين شركت بر توسعه و ساخت پيل‌سوختي براي لوازم الكترونيكي، قابل استفاده در صنايع نظامي، قابل حمل مانند تلفن‌هاي همراه و رايانه‌هاي جيبي متمركز بود. رئيس توسعه مشاغل گروه تحقيقات كاربردي و توسعه صنعتي دانشگاه تل‌آويو اظهار مي‌دارد كه «بازار جهاني مصرف باتري براي لوازم الكترونيكي قابل حمل سالانه به بيش از 30 ميليارد دلار بالغ مي‌گردد. از اين‌رو، دانشگاه اعتقاد دارد كه اين بازار آماده پذيرش پيل‌سوختي بوده و به خوبي از ورود اين منبع جايگزين انرژي استقبال خواهد كرد.» آزمايش‌هاي انجام شده در دانشگاه تل‌‌آويو حاكي از آن هستند كه يك پيل‌سوختي كه از يك مخزن هيدروژن با ظرفيت 5 ميلي ليتر تغذيه مي‌شود مي‌تواند انرژي لازم براي يك تلفن همراه را براي مدت 20 روز تأمين نمايد (البته مشروط بر آن كه روزانه بيش از 15 دقيقه از اين تلفن براي مكالمه استفاده نشود). صاحبان تلفن‌هاي همراهي كه روزانه بيش از سه ساعت با تلفن همراه خمو مكالمه مي‌كنند بايد هر سه روز يكبار نسبت به شارژ هيدروژن اقدام نمايد. در حال حاضر 20 نفر محقق دانشگاه تل‌آويو با استفاده از اعتبارات اعطايي از سوي شركت‌ها در زمينه توسعه اين فن‌آوري مشغول فعاليت هستند. مقامات دانشگاه تل‌آويو بر اين باورند كه در طول 15 سال آينده پيل‌هاي‌سوختي براي تأمين انرژي مورد نياز صنايع اسرائيل مورد استفاده قرار خواهند گرفت. در حال حاضر، شركت سوخت سبز اسرائيل تلاش مي‌كند تا بر ترديد سرمايه‌گذاران در اين زمينه فائق آيد و چشم‌انداز بازار رو به گسترش پيل‌سوختي در آسيا و خاورميانه را به سرمايه‌گذاران گوشزد نمايد. رئيس توسعه صنعتي دانشگاه تل‌آويو مي‌گويد "در اينجا سرمايه‌گذاران فقط در زمينه فن‌آوري اپتيك، نرم‌افزار و فن‌آوري زيستي سرمايه‌گذاري مي‌كنند، اما در ايالت متحده و اروپا، سرمايه‌گذاري در زمينه سوخت سبز بسيار بيشتر است."

نمونه‌های از محصولات عرضه شده
پیل‌های سوختی، صرفه‌جویی‌های قابل‌توجهی را در بارگذاری‌ها، وزن و حجم در مقایسه با منابع نیروی متداول ایجاد می‌کنند. برای مثال بسته باتری 13 تایی BA-5590 بیش از 29 پوند (13 کیلوگرم) وزن و هر یک 100 دلار قیمت دارد. به‌کارگیری 13 باتری برای پشتیبانی از یک مأموریت 72 ساعته ضروری است.
ارتش ایالات متحده در‌حال ارزیابی استفاده کم‌خرج از فن‌آوری پیل‌سوختی قالب‌گیری تزریقی با ضریب شکل BA-5590 برای تغذیه رادیو میدانی SOF PRC-117 است. تجهیز این رادیو به فن‌آوری پیل‌سوختی وزن آن را بیش از 13 پوند (9/5 کیلو‌گرم) و قیمتش را حداقل 50 درصد کاهش می‌دهد.
منابع توان دیگر عرضه شده با استفاده از پیل‌های سوختی مینیاتوری متانولی مستقیم (DMFCs) در شرکت MTI Micro در دست توسعه است. این شرکت قبلاً نشان داده سیستم توان پیل‌سوختی آن، به‌ازای هر سی‌سی سوخت متانول خالص، 9/0 وات ساعت انرژی تولید می‌کند؛ به‌عبارتی استفاده از متانول بیش از 3 برابر اکثر باتری‌های یون-لیتیم انرژی تولید می‌نماید. این شرکت با بخش ارتباطات Harris RF برای توسعه یک نمونه اولیه پیل‌سوختی همکاری می‌کند تا این پیل‌سوختی را جایگزین باتری‌های استاندارد در رادیو نظامی قابل‌حمل Falcon II شرکت Harris نماید. نمونه اولیه‌ای که ما‌حصل همکاری دو شرکت MTI Micro و Harris تا به امروز می‌باشد، دارای توان خروجی 5 وات، پیک توان 25 وات و ظرفیت انرژی بیش از 50 وات ساعت است. این پیل‌سوختی به‌گونه‌ای طراحی شده که اندازه و شکلی مشابه یک باتری استاندارد BA-5590 دارد؛ اما دو برابر باتری داخلی رادیو و تقریباً هم اندازه باتری خارجی و قابل‌شارژ BB390 انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
شرکت DMFC کارتریج‌های پیل‌سوختی متانولی عرضه کرد
شرکت پیل‌سوختی متانولی مستقیم (DMFCC) طرح توسعه کارتریج پیل‌سوختی متانولی را تکمیل نمود. کارتریج جدید با همکاری شریک کره‌ای DMFCC یعنی شرکت SMC به‌صورت مشترک توسعه یافته و ساخته شده است.
پیل‌های سوختی در مقایسه با باتری‌های یون- لیتیم، زمان عملیاتی طولانی‌تری دارند. با معرفی این کارتریج‌های جدید، پیل‌های سوختی متانولی می‌توانند فوراً با جایگزینی کارتریج‌های سوخت قابل تعویض، شارژ شوند. یک کارتریج سوخت 5 تا 10 ساعت، بسته به بازدهی پیل‌سوختی برای یک کامپیوتر، برق فراهم می‌کند. این کارتریج، 50 سی‌سی متانول خالص در خود جاری می‌دهد و برای یک کامپیوتر نوت‌بوک و کاربرد‌های مشابه، طراحی گردیده است. تلفن‌های همراه، کارتریج‌های کوچکتری لازم دارند و برخی کاربرد‌های دیگر ممکن است نیازمند کارتریج‌های بزرگتری باشند. به‌علاوه DMFCC در‌نظر دارد کارتریج‌های دیگری برای سایر سوخت‌ها مثل اسید‌ فرمیک یا اتانول نیز بسته به نیاز مشتریان توسعه دهد.
این شرکت به تولید کارتریج‌های سوخت قابل تعویض برای نگهداری سوخت‌های مایعی چون متانول متمرکز شده تا با آن، منبع انرژی کامپیوتر‌های نوت‌بوک، تلفن‌های همراه و سایر وسایل برقی قابل‌حمل مجهز ‌به پیل‌های سوختی متانولی مستقیم را تأمین کند.

برنامه Palm Power
کاربرد دیگر DMFC که توسط DARPA مطالعه شده، برنامه Palm Power است. این واحد توانی قابل‌حمل در آینده جایگزین ژنراتور‌های دیزلی بزرگی می‌شود که در‌حال حاضر به کمک یدک کش (تریلر) جا‌به‌جا می‌شوند. برنامه Palm Power ، پیل‌های سوختی کم‌حجم را برای تبدیل انرژی حرارتی به برق به‌کار می‌گیرد. در محل‌هایی که برنامه مذکور قابل اجرا باشد، این منابع توان هم‌چنین به تولید همزمان انرژی گرمایشی، سرمایشی و یا آب گرم علاوه‌بر الکتریسیته می‌پردازند. مباحث شیمی سوخت مطرح شده برای این برنامه، پیل‌های سوختی اکسیداسیون متانولی مستقیم (DMFCs) هستند.
برنامه Palm Powerیک پیل‌سوختی متانولی 20 وات که کاملاً پکیج شده و با باتری ترکیب شده است، تولید خواهد کرد. بدین‌ترتیب یک سیستم توان سرباز هیبرید با دوامی بسیار طولانی‌تر از سیستم‌هایی که فقط باتری دارند، تولید می‌شود. مشتریان نوعی این‌گونه پیل‌های توانی، روبات‌ها، خودرو‌های زمینی خود‌کار، سیستم‌های سرباز آینده، خودرو‌های هوایی کوچک و غیره می‌باشند. DARPA انتظار دارد روش‌های جدیداً توسعه یافته، اهداف انرژی ویژه این برنامه را که همانا دست‌یابی به هزاران وات ساعت توان به‌ازای هر کیلو‌گرم در سطح سیستم است، برآورده سازند.
نیل به سطوح توانی بالاتر، روش‌های دیگری مانند پیل‌های سوختی اکسید‌جامد مسطح (SOFC)، ترموفتو‌ولتائیک‌ها (TPV)، کانور‌تر‌های انرژی حرارتی فلزات قلیایی به انرژی الکتریکی (AMTEC) و موتور‌های توربین کوچک را می‌طلبد که در محدوده 300 تا 500 وات با استفاده از سوخت‌های نظامی تأیید شده کار کنند.

پیل سوختی خودرویی
فن‌آوری پیل‌سوختی مختلفی برای یک واحد توان کمکی توسعه یافته توسط شرکت رادیان (Radian) مطرح گردیده است. این سیستم ویژه استفاده در خودرو‌های ارتش ایالات متحده در‌نظر گرفته شده است. پیل‌سوختی این سیستم از فن‌آوری غشای تبادل پروتون توسعه داده شده توسط شرکت هیدروژنیکس استفاده می‌کند. از آنجایی که خودرو‌های زرهی مدرن حتی در موقعیت‌های ثابت و ایستا نیازمند استفاده از چندین سیستم الکتریکی و الکترونیکی هستند، به‌کار‌گیری واحد توان کمکی (APU) توان الکتریکی موردنیاز برای کار تجهیزات دیجیتالی و موقعیت‌های silent watch طولانی‌مدت را تهیه می‌کند.
سیستم‌های پیل‌سوختی که تاکنون برای جایگزینی سیستم‌های مجهز به باتری و ژنراتور‌های دیزلی در کاربرد‌های نظامی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، زمان کارکرد طولانی‌تر، آلایندگی صفر، دوره عمر بهتر، آلایندگی صوتی و سر‌ و‌ صدای کمتر، کاهش روند افت عملکرد و هم چنین بهبود عملکرد در آب و هوای سرد، ارائه دادند.
در فن‌آوری پیل‌سوختی احیا‌کننده، الکترولایزر سیستم، تأمین هیدروژن در حین کار موتور خودرو را برعهده دارد و سوخت کافی برای کار سیستم توان کمکی پیل‌سوختی برای حداکثر 10 ساعت رانندگی با بارگذاری متوسط 3 کیلو‌وات و توان پیک 5 کیلو‌وات تهیه می‌کند.

فرایند پیل‌سوختی اکسید‌جامد (SOFC)
پیل‌سوختی اکسیدجامد با سوخت JPB نظامی کار می‌کند. پژوهشگاه فن‌آوری گاز (GTI) کارکرد یک پیل‌سوختی اکسید‌جامد با دانسیته توان بالا با استفاده از سوخت‌های لجستیک‌ نظامی استاندارد (JP8) که حاوی 600 تا 700 ppm گوگرد است، نشان داده است. این مسأله بیانگر دست‌یابی به نقطه ‌عطف مهمی در مسیر توسعه فن‌آوری پیل‌سوختی اکسید‌جامد در ارائه توان الکتریکی پر‌بازده، پاک و بدون سر‌و‌صدا از کاربرد‌های نظامی می‌باشد. در این پروسه با استفاده از فرایند تبدیل به کمک بخارآب، سوخت گازی استک پیل‌سوختی اکسید‌جامد مهیا می‌شود و مدیریت حرارتی مؤثر، در تعیین بازدهی سیستم، نقشی کلیدی ایفا می‌کند. پردازشگر سوخت JP8 از یک کاتالیست مقاوم در برابر گوگرد، مشعل جدید JP8 و سیستم پخش‌کننده حرارت برای تولید سوخت لجستیک‌های نظامی JP8 به هیدروژن و دیگر سوخت‌های گازی SOFC استفاده می‌کند.
این پردازشگر تا به امروز 600 ساعت عملکرد پایدار را در آزمایش‌ها انجام داده است. در طراحی سیستم کلی، گرفتار کردن و بازگرداندن آب هم گنجانده شده است؛ بنابراین سیستم می‌تواند بدون وجود منبع تهیه آب خارجی کار کند.
استک پیل‌سوختی اکسید‌جامد مسطح توسط شرکت Versa Power Systems(VPS) تهیه شده است. این شرکت، استکی با 21 سل ساخته است که با استفاده از سوخت JP8 در حدود 800 وات توان تولید می‌کند و سطح توانی 5/3 میلی‌وات بر سانتی‌متر‌مربع دارد. سیستم نمایشی نسل جدید از استک‌های پیل‌سوختی اکسید‌جامد پیشرفته برای دست‌یابی به هدف 3 تا 10 کیلو‌وات توان که برای شرایط تولید توان الکتریکی سیار (MEP) کاربرد‌های نظامی مناسب است، استفاده خواهد کرد.
این کار تحقیقاتی با سرمایه‌گذاری وزارت دفاع ایالات متحده و زیر‌ نظر آزمایشگاه تحقیقات مهندسی ساخت مرکز تحقیق و توسعه مهندسین ارتش این کشور (ERDC-CERL) انجام شده است.