انواع پیل های سوختی از دستگاه هایی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به وسیله الکتروشیمیایی به الکتریسیته تبدیل می کنند. یک پیل سوختی از بسیاری جهات شبیه به یک باتری است، اما می تواند انرژی الکتریکی را در مدت زمان طولانی تری تامین کند. این به این دلیل است که پیل سوختی به طور مداوم با سوخت و هوا (یا اکسیژن) از یک منبع خارجی تأمین می شود، در حالی که یک باتری فقط حاوی مقدار محدودی از مواد سوختی و اکسیدان است که با استفاده از آن تخلیه می شود. به همین دلیل پیل های سوختی برای دهه ها در کاوشگرهای فضایی، ماهواره ها و فضاپیماهای سرنشین دار استفاده شده است. در سراسر جهان هزاران سیستم پیل سوختی ثابت در نیروگاه های برق شهری، بیمارستان ها، مدارس، هتل ها و ساختمان های اداری برای برق اولیه و پشتیبان نصب شده است. بسیاری از کارخانه های تصفیه پسماند از فناوری سلول های سوختی برای تولید نیرو از گاز متان تولید شده با تجزیه زباله استفاده می کنند. شهرداری های متعددی در ژاپن، اروپا و ایالات متحده خودروهای پیل سوختی را برای حمل و نقل عمومی و استفاده از پرسنل خدمات اجاره می دهند. خودروهای پیل سوختی شخصی برای اولین بار در سال 2004 در آلمان فروخته شد.
پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی وسیله ای است که با واکنش شیمیایی، الکتریسیته تولید می کند. هر پیل سوختی دارای دو الکترود است که به ترتیب آند و کاتد نامیده می شوند. واکنش هایی که الکتریسیته تولید می کنند در الکترودها انجام می شود.
هر پیل سوختی دارای یک الکترولیت است که ذرات باردار الکتریکی را از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل می کند و یک کاتالیزور است که واکنش ها را در الکترودها سرعت می بخشد.
هیدروژن سوخت اصلی است، اما پیل های سوختی به اکسیژن نیز نیاز دارند. یکی از جذابیت های مهم پیل های سوختی این است که آن ها با آلودگی بسیار کمی الکتریسیته تولید می کنند – بیش تر هیدروژن و اکسیژن مورد استفاده در تولید برق در نهایت با هم ترکیب می شوند و یک محصول جانبی بی خطر، یعنی آب را تشکیل می دهند.
پیل های سوختی چگونه کار می کنند؟
هدف پیل های سوختی تولید جریان الکتریکی است که می تواند برای انجام کار به خارج از سلول هدایت شود، مانند تغذیه موتور الکتریکی یا روشن کردن لامپ. به دلیل نحوه رفتار الکتریسیته، این جریان به سلول سوختی برمی گردد و یک مدار الکتریکی را تکمیل می کند. واکنش های شیمیایی که این جریان را تولید می کند، کلید نحوه عملکرد پیل های سوختی است.
انواع مختلفی از پیل های سوختی وجود دارد و هر کدام کمی متفاوت عمل می کنند. اما به طور کلی، اتم های هیدروژن وارد سلول سوختی در آند می شوند که در آن یک واکنش شیمیایی، الکترون های آن ها را از بین می برد. اتم های هیدروژن اکنون “یونیزه” شده و بار الکتریکی مثبت را حمل می کنند. الکترون های دارای بار منفی جریان را از طریق سیم برای انجام کار فراهم می کنند. در صورت نیاز به جریان متناوب (AC)، خروجی DC پیل سوختی باید از طریق یک دستگاه تبدیل به نام اینورتر هدایت شود.
اکسیژن وارد سلول سوختی در کاتد می شود و در برخی از انواع سلول ها، با الکترون های برگشتی از مدار الکتریکی و یون های هیدروژن که از الکترولیت از آند عبور کرده اند، ترکیب می شود. در انواع دیگر سلول ها، اکسیژن الکترون ها را می گیرد و سپس از طریق الکترولیت به آند می رود و در آن جا با یون های هیدروژن ترکیب می شود.
الکترولیت نقش اساسی دارد. فقط باید یون های مناسب را بین آند و کاتد عبور دهد. اگر الکترون های آزاد یا سایر مواد بتوانند از طریق الکترولیت عبور کنند، واکنش شیمیایی را مختل می کنند.
چه در آند یا کاتد ترکیب شوند، هیدروژن و اکسیژن با هم آب تشکیل می دهند که از سلول تخلیه می شود. تا زمانی که یک پیل سوختی با هیدروژن و اکسیژن تامین شود، الکتریسیته تولید می کند.
از آن جایی که پیل های سوختی به جای احتراق، الکتریسیته ایجاد می کنند، تحت قوانین ترمودینامیکی نیستند که یک نیروگاه معمولی را محدود کند. بنابراین، پیل های سوختی در استخراج انرژی از سوخت کارآمدتر هستند. گرمای زائد برخی سلول ها نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد و کارایی سیستم را بیش تر افزایش دهد.
انواع پیل های سوختی
انواع مختلف پیل سوختی توسعه یافته است. آن ها به طور کلی بر اساس الکترولیت مورد استفاده طبقه بندی می شوند، زیرا الکترولیت دمای کارکرد یک سیستم و تا حدی نوع سوخت قابل استفاده را تعیین می کند.
پیل های سوختی قلیایی
این ها وسایلی هستند که طبق تعریف، محلول آبی هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت هستند. سوخت تقریباً همیشه گاز هیدروژن است و اکسیژن (یا اکسیژن موجود در هوا) به عنوان اکسید کننده است. با این حال، اگر اکسیدهای جانبی محصول به طور موثری حذف شوند و فلز به طور مداوم به عنوان نوار یا پودر تغذیه شود، روی یا آلومینیوم می تواند به عنوان آند استفاده شود. سلول های سوختی عموماً در دمای کم تر از 100 درجه سانتی گراد (212 درجه فارنهایت) عمل می کنند و از فلز و پلاستیک های خاصی ساخته شده اند. الکترودها از کربن و فلزی مانند نیکل ساخته شده اند. آب، به عنوان یک محصول واکنش، باید از سیستم خارج شود، معمولاً با تبخیر از الکترولیت یا از طریق الکترودها یا در یک تبخیر کننده جداگانه. سیستم پشتیبانی عملیاتی یک مشکل مهم طراحی ایجاد می کند. الکترولیت قلیایی قوی و داغ به اکثر پلاستیک ها حمله می کند و تمایل به نفوذ درزها و اتصالات ساختاری را دارد. با این حال، این مشکل برطرف شده است و از سلول های سوختی قلیایی در مدارگردهای شاتل فضایی ایالات متحده استفاده می شود. بازده کلی بسته به سوخت و اکسید کننده و بر اساس محاسبه، بین 30 تا 80 درصد متغیر است.
پیل های سوختی اسید فسفریک
چنین سلول هایی دارای الکترولیت اسید ارتوفسفریک هستند که امکان کار تا دمای 200 درجه سانتی گراد (400 درجه فارنهایت) را فراهم می کند. آن ها می توانند از سوخت هیدروژن آلوده به دی اکسید کربن و اکسید کننده هوا یا اکسیژن استفاده کنند. الکترودها از کربن کاتالیز شده تشکیل شده اند و به صورت جفت به هم چیده شده اند تا مدار تولید نسل را ایجاد کنند. ساختار قاب برای این مجموعه از سلول ها از گرافیت ساخته شده است، که هزینه را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. دمای بالاتر و فسفات داغ تهاجمی مشکلات طراحی ساختاری را ایجاد می کند، به ویژه برای اتصالات، پمپ های پشتیبانی و حسگرها. پیل های سوختی اسید فسفریک در مقیاس محدودی برای نیروگاه های برق شهری محلی و ژنراتورهای از راه دور پیشنهاد و آزمایش شده است.
پیل های سوختی کربنات مذاب
سلول های سوختی از این نوع کاملاً متفاوت از مواردی است که تا کنون مورد بحث قرار گرفته است. این سوخت شامل مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن تولید شده از آب و سوخت فسیلی است. الکترولیت پتاسیم کربنات پتاسیم مذاب است که به دمای عملیاتی حدود 650 درجه سانتی گراد (1200 درجه فارنهایت) نیاز دارد. گرم شدن تا دمای عملیاتی ممکن است چند ساعت طول بکشد و این سلول ها را برای وسایل نقلیه نامناسب کند. در بیش تر موارد، الکترودها بر پایه فلز هستند و سیستم محفظه از فلزات و پلاستیک های مهندسی مخصوص ساخته شده است. پیش بینی می شود چنین ترکیباتی از مواد نسبتاً ارزان باشند، شاید فقط سه برابر پیل سوختی قلیایی و کم تر از انواع اسید فسفریک. سلول ها ابتدا هیدروژن و مونوکسید کربن را با الکترولیت کربنات و سپس با اکسید کننده اکسیژن ترکیب می کنند تا محصول واکنش بخار آب و دی اکسید کربن را تولید کنند.
انتظار می رود پیل های سوختی کربنات مذاب در نیروگاه های محلی و بزرگ تر مفید باشند. در مواردی که قبلاً از سوخت های فسیلی استفاده می شود، می توان به کارآیی 45 درصدی دست یافت. عملکرد در دماهای بالا مشکل طراحی را برای قطعات و اتصالات سیستم با طول عمر بالا ایجاد می کند، به ویژه اگر سلول ها باید دائما گرم و سرد شوند. سوخت سمی و درجه حرارت بالا در کنار هم ایمنی نیروگاه ها را در زمینه طراحی و آزمایش مهندسی و هم چنین عملیات تجاری مورد توجه قرار می دهد.
پیل های سوختی اکسید جامد
سلول های سوختی اکسید جامد از جهاتی شبیه دستگاه های کربنات مذاب هستند. با این حال، بیش تر مواد سلولی، سرامیک های مخصوص با مقداری نیکل هستند. الکترولیت یک اکسید یون رسانا مانند زیرکونیا است که با ایتریا درمان می شود. انتظار می رود سوخت این سلول های آزمایشی همانند سلول های کربنات مذاب، هیدروژن با مونوکسید کربن باشد. در حالی که واکنش های داخلی از نظر مسیر متفاوت است، محصولات سلولی بخار آب و دی اکسید کربن هستند. به دلیل درجه حرارت بالا (900 تا 1000 درجه سانتی گراد، یا 1600 تا 1800 درجه فارنهایت)، واکنش های الکترود بسیار راحت پیش می روند. همان طور که در مورد پیل سوختی کربنات مذاب، بسیاری از چالش های مهندسی در ایجاد یک سیستم مهار طولانی مدت برای سلول هایی که در چنین محدوده دمای بالا کار می کنند دخیل هستند.
سلول های سوختی اکسید جامد برای استفاده در ایستگاه های تولید برق مرکزی طراحی شده اند که در آن تغییرات دما به طور موثر کنترل می شود و در آن جا سوخت های فسیلی در دسترس است. این سیستم در بیش تر موارد با چرخه به اصطلاح تهویه بخار (توربین) مرتبط است-یعنی، از محصول گاز داغ (در دمای 1000 درجه سانتی گراد) سلول سوختی می توان برای تولید بخار برای کارکردن توربین و استخراج نیروی بیش تر استفاده کرد. از انرژی گرمایی به طور کلی کارآیی 60 درصد ممکن است.
پیل های سوختی الکترولیت پلیمری جامد
سلولی از این دست در اطراف غشای رسانای یون مانند Nafion (علامت تجاری غشای اسید پرفلوروسولفونیک) ساخته شده است. الکترودها کربن کاتالیزور هستند و چندین تراز ساختمانی امکان پذیر است. پیل های الکترولیت پلیمری جامد به خوبی عمل می کنند، اما برآورد هزینه برای کل سیستم در مقایسه با انواع شرح داده شده در بالا زیاد است. پیشرفت های مهندسی یا طراحی الکترود می تواند این عیب را تغییر دهد.
کاربردهای پیل سوختی
- تأمین نیرو برای ایستگاه های پایه یا سایت های سلول
- نسل پراکنده
- سیستم های برق اضطراری نوعی سیستم پیل سوختی هستند که ممکن است شامل روشنایی، ژنراتور و سایر دستگاه ها باشد تا منابع پشتیبان را در شرایط بحرانی یا هنگام خرابی سیستم های معمولی ارائه دهد. آن ها در طیف گسترده ای از محیط ها از خانه های مسکونی گرفته تا بیمارستان ها، آزمایشگاه های علمی، مراکز داده استفاده می کنند.
- تجهیزات مخابراتی و کشتی های دریایی مدرن
- منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) برق اضطراری را تأمین می کند و بسته به توپولوژی، تنظیم خطوط و هم چنین تجهیزات متصل را با تأمین برق از منبع جداگانه در مواقعی که برق شهری در دسترس نیست، ارائه می دهد. بر خلاف ژنراتور آماده به کار، می تواند از وقفه قطعی برق در لحظه محافظت کند.
- نیروگاه های بار پایه
- گرمایش آب سلول سوختی هیدروژن خورشیدی
- خودروهای هیبریدی، پیل سوختی را با ICE یا باتری جفت می کنند.
- رایانه های نوت بوک برای برنامه هایی که امکان شارژ AC به آسانی در آن ها وجود ندارد.
- اسکله های شارژ قابل حمل برای وسایل الکترونیکی کوچک (به عنوان مثال گیره کمربندی که تلفن همراه یا PDA را شارژ می کند).
- تلفن های هوشمند، لپ تاپ و تبلت.
- وسایل گرمایش کوچک
- حفظ مواد غذایی، با تخلیه اکسیژن و حفظ خودکار خروج اکسیژن در یک ظرف حمل و نقل.
- دستگاه تنفس، که در آن از مقدار ولتاژ تولید شده توسط پیل سوختی برای تعیین غلظت سوخت (الکل) در نمونه استفاده می شود.
ما را در اینستاگرام دنبال کنید.
