پیل سوختی چیست و از مزایای کاربرد آنها چه می دانید؟
پیل سوختی از انرژی شیمیایی هیدروژن یا سوخت های دیگر برای تولید انرژی پاک و کارآمد برق استفاده می کند. اگر هیدروژن سوخت باشد ، برق ، آب و گرما تنها محصولات هستند. سلول های سوختی از نظر تنوع کاربرد منحصر به فرد هستند آنها می توانند نیرو را برای سیستم هایی به بزرگی یک ایستگاه برق یا به اندازه یک کامپیوتر لپ تاپ تأمین کنند.
پیل سوختی را می توان به عنوان پیل الکتروشیمیایی تعریف کرد که از طریق واکنش الکتروشیمیایی انرژی الکتریکی را از سوخت تولید می کند. این سلول ها به منظور ادامه واکنش ها در تولید کننده برق ، به ورودی مداوم سوخت و یک عامل اکسید کننده (به طور کلی اکسیژن) نیاز دارند. بنابراین ، این سلولها می توانند دائماً برق تولید کنند تا زمانی که تأمین سوخت و اکسیژن قطع شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.
پیل سوختی مشابه پیل های الکتروشیمیایی است که از کاتد ، آند و الکترولیت تشکیل شده اند. در این سلول ها الکترولیت حرکت پروتون ها را امکان پذیر می کند.
علیرغم اینکه این پیل ها در سال ۱۸۳۸ اختراع شدند ولی یک قرن بعد و هنگامی که توسط ناسا برای تأمین انرژی کپسول های فضایی و ماهواره ها مورد استفاده قرار گرفتند ، استفاده تجاری آنها آغاز شد. امروزه ، این دستگاه ها به عنوان منبع اولیه یا ثانویه نیرو برای بسیاری از تأسیسات از جمله صنایع ، ساختمان های تجاری و ساختمان های مسکونی مورد استفاده قرار می گیرند.
تاریخچه استفاده از پیل سوختی
مفهوم کلی باتری سوختی یا پیل سوختی به روزهای اولیه الکتروشیمی برمی گردد. ویلیام گروف فیزیکدان انگلیسی از هیدروژن و اکسیژن به عنوان سوخت های کاتالیز شده روی الکترودهای پلاتین در سال ۱۸۳۹ استفاده کرد. در اواخر دهه ۱۸۸۰ دو شیمیدان انگلیسی – کارل لانگر و لودویگ موند متولد آلمان – با استفاده از یک غیر رسانای متخلخل برای نگهداری یک سلول سوختی با عمر مفید بیشتر استفاده کردند.
ویلهلم استوالد شیمی دان آلمانی سلولهای الکتروشیمیایی را که در آن کربن توسط اکسیژن به دی اکسید کربن اکسید می شود ، به عنوان جایگزینی برای ژنراتورهای موتور حرارتی پیشنهاد می کند. در طول سالهای اولیه قرن ۲۰ ، فریتز هابر و والتر اچ. نرنست در آلمان و ادموند بائر در فرانسه با استفاده از یک الکترولیت جامد سلول ها را آزمایش کردند. موفقیت محدود و هزینه های زیاد ، علاقه به ادامه تلاش های توسعه پیل های سوختی را در آن زمان سلب کرد.
بهتر است بدانید:
از سال ۱۹۳۲ تا بعد از جنگ جهانی دوم ، مهندس بریتانیایی ، فرانسیس توماس بیکن و همکارانش در دانشگاه کمبریج ، روی ساخت سلولهای سوختی اکسیژن-هیدروژن عملی با الکترولیت قلیایی کار کردند. تحقیقات منجر به اختراع الکترودهای انتشار گاز شد که در آن گاز سوخت در یک طرف به طور موثر در تماس کنترل شده با یک الکترولیت آبی در طرف دیگر قرار داشت. در اواسط قرن O.K. داوتیان از اتحاد جماهیر شوروی نتایج کار آزمایشی الکترولیت های جامد را برای سلولهای سوختی با درجه حرارت بالا و هم برای سلولهای هیدروژن- اکسیژن الکترولیت قلیایی با درجه حرارت بالا و پایین منتشر کرد.
نیاز به منابع تغذیه ای بسیار کارآمد و پایدار برای ماهواره های فضایی و فضاپیماهای سرنشین دار فرصت های جدید و مهیجی را برای توسعه سلول های سوختی طی دهه های ۱۹۵۰ و ۶۰ ایجاد کرد.
بسیاری از پیشرفت های دیگر فناوری ، از جمله تولید مواد جدید ، نقشی اساسی در ظهور سلولهای سوختی عملی امروزی داشته است. انتظار می رود که پیشرفت های بیشتر در ساخت الکترود ها در کنار افزایش هزینه های سوخت های فسیلی ، پیل های سوختی را به عنوان یک منبع انرژی جایگزین جذاب تر ، به ویژه در کشورهایی که دارای منابع انرژی ناچیز قابل تجدید هستند ، تبدیل کند.
نحوه عملکرد پیل سوختی چگونه است؟
از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن می توان برای تولید برق از طریق سلول سوختی استفاده کرد. چنین سلولی در برنامه فضایی آپولو مورد استفاده قرار گرفت و دو هدف متفاوت داشت – از آن به عنوان منبع سوخت و همچنین منبع آب آشامیدنی استفاده شد (بخار آب تولید شده از سلول ، هنگامی که متراکم شد ، برای مصرف انسان مناسب بود).
کار این سلول سوختی شامل انتقال هیدروژن و اکسیژن به محلول غلیظ هیدروکسید سدیم از طریق الکترودهای کربن است. واکنش سلول را می توان به شرح زیر نوشت:
واکنش کاتدی : O۲ + ۲H۲O + 4e– → ۴OH
واکنش آند: ۲H۲ + ۴OH– → ۴H۲O + 4e
واکنش خالص سلول: ۲H۲ + O۲ → ۲H۲O
با این حال ، سرعت واکنش این فرآیند الکتروشیمیایی بسیار کم است. این مسئله با کمک کاتالیزوری مانند پلاتین یا پالادیوم برطرف می شود. همچنین به منظور افزایش مساحت سطحی موثر ، کاتالیزور قبل از اینکه در الکترودها قرار گیرد به قطعات ریز تقسیم می شود.
بازدهی پیل سوختی در تولید برق که در بالا توضیح داده شد به طور کلی به نزدیک ۷۰٪ است در حالی که نیروگاه های حرارتی ۴۰٪ بهره وری دارند. این تفاوت اساسی در بهره وری به این دلیل است که تولید جریان الکتریکی در یک نیروگاه حرارتی شامل تبدیل آب به بخار و استفاده از این بخار برای چرخش یک توربین است. بنابراین پیل های سوختی بستری برای تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی ارائه می دهند.
انواع پیل سوختی
علیرغم کار مشابه ، سلولهای سوختی بسیاری وجود دارد. برخی از این نوع پیل های سوختی در ادامه بطور مختصر شرح داده می شود.
سلول سوختی پلیمری (PEM)
این سلولها به سلولهای سوختی غشای تبادل پروتون یا (PEMFC) نیز معروف هستند. دامنه دمایی که این سلولها در آن کار می کنند بین ۵۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی گراد است. الکترولیت مورد استفاده در PEMFC ها پلیمری است که توانایی هدایت پروتون ها را دارد.
یک سلول سوختی PEM متشکل از صفحات دو قطبی ، کاتالیزور ، الکترودها و غشا پلیمری است. علاوه بر سازگاری زیست محیطی برای امور حمل و نقل ، PEMFC ها همچنین می توانند برای تولید برق ثابت و قابل حمل استفاده شوند.
سلول سوختی اسید فسفریک
این پیل های سوختی شامل استفاده از اسید فسفریک به عنوان الکترولیت به منظور هدایت H + هستند و در محدوده دمایی ۱۵۰ ۲۰۰- کار می کنند. در این پیل الکترون ها به دلیل غیر رسانا بودن اسید فسفریک مجبور می شوند از طریق مدار خارجی به کاتد بروند. به دلیل خاصیت اسیدی الکترولیت ، اجزای این سلولها به مرور زمان دچار خوردگی یا اکسید شدن می شوند.
سلول سوختی اسید جامد
در این سلول های سوختی از یک ماده اسیدی جامد به عنوان الکترولیت استفاده می شود. ساختارهای مولکولی این اسیدهای جامد در دمای پایین مرتب می شوند. در دماهای بالاتر ، یک انتقال فاز می تواند رخ دهد که منجر به افزایش عظیم هدایت می شود. نمونه هایی از اسیدهای جامد شامل CsHSO4 و CsH2PO4 (سدیم هیدروژن سولفات سدیم و دی هیدروژن فسفات سزیم) هستند.
پیل سوختی قلیایی
این سلول به عنوان منبع اصلی برق در برنامه فضایی آپولو مورد استفاده قرار گرفت. در این سلول ها از یک محلول قلیایی آبی برای اشباع یک ماتریس متخلخل استفاده می شود که به نوبه خود برای جداسازی الکترودها بکار می رود. دمای عملکردی این سلول ها بسیار کم است (تقریباً ۹۰ درجه سانتی گراد). این سلول ها بسیار کارآمد هستند آنها همچنین به همراه برق، گرما و آب تولید می کنند.
پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
این سلول ها شامل استفاده از یک اکسید جامد یا یک الکترولیت سرامیکی (مانند زیرکونیا تثبیت شده با ایتریا) هستند. به این سلولها پیل سوختی سرامیکی نیز گفته می شود آنها بسیار کارآمد هستند و هزینه نسبتاً کمی دارند (بازده نظری حتی می تواند به ۸۵٪ نزدیک شود).
دمای عملکرد این سلول ها بسیار زیاد است (حداقل ۶۰۰ درجه سانتی گراد ، دمای استاندارد کار بین ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد است). پیل های سوختی اکسید جامد به دلیل دمای عملکرد بالا محدود به کاربردهای ساکن هستند.
سلول سوختی کربنات مذاب
الکترولیت مورد استفاده در این سلول ها نمک کربنات پتاسیم لیتیوم است. این نمک در دمای بالا مایع می شود و حرکت یون های کربنات را امکان پذیر می کند. مشابه سلول های SOFC ، این سلول های سوختی نیز دارای دمای عملیاتی نسبتاً بالا حدود ۶۵۰ درجه سانتی گراد هستند.
آند و کاتد این سلول به دلیل دمای عملکردی بالا و وجود الکترولیت کربناته در برابر خوردگی آسیب پذیر هستند. این سلول ها می توانند از طریق سوخت های پایه کربن مانند گاز طبیعی و بیوگاز تأمین شوند.
کاربردهای پیل سوختی
فناوری پیل سوختی کاربردهای گسترده ای دارد. در حال حاضر تحقیقات سنگینی برای تولید خودرویی مقرون به صرفه که انرژی آن از یک پیل سوختی تأمین شود در حال انجام است. چند کاربرد این فناوری در زیر ذکر شده است.
وسایل نقلیه الکتریکی با استفاده از سلول سوختی یا FCEV از سوخت های تمیز استفاده می کنند بنابراین نسبت به وسایل نقلیه مبتنی بر موتور داخلی با محیط زیست سازگار هستند. از آنها برای تأمین نیرو در بسیاری از سفرهای فضایی از جمله برنامه فضایی آپولو استفاده شده است. به طور کلی محصولات تولیدی از این سلول ها گرما و آب هستند.
قابلیت حمل برخی سلول های سوختی در برخی از کاربردهای نظامی بسیار مفید است. از این سلول های الکتروشیمیایی می توان برای تأمین انرژی چندین دستگاه الکترونیکی نیز استفاده کرد. سلول های سوختی به عنوان منابع اصلی یا پشتیبان برق در بسیاری از مناطق دور افتاده مورد استفاده قرار می گیرند. با راه اندازی نیروگاه پیل سوختی در ایران می توان از انرژی پاک آنها بهره های بسیاری برد.
ساخت پیل سوختی
برای آموزش پیل سوختی می توان این پیل را طراحی کرد و ساخت. برای آشنایی با این روند همراه ما باشید. از آنجا که یک پیل سوختی به طور مداوم از سوخت، برق تولید می کند ویژگی های خروجی آن شبیه به سایر سیستم های تولید کننده جریان مستقیم (DC) است. یک سیستم ژنراتور DC از نظر برنامه ریزی می تواند به هر دو روش کار کند:
(۱) سوخت ممکن است در موتور گرم کننده سوزانده شود تا یک ژنراتور الکتریکی را بکار بیاندازد این امر باعث می شود تا جریان برق در دسترس باشد و یا (۲) سوخت ممکن است به فرم مناسب برای پیل سوختی تبدیل شود و سپس مستقیماً نیرو تولید می کند.
اولین چالش فنی که باید در تولید پیل های سوختی عملیاتی برطرف شود ، طراحی و مونتاژ الکترودی است که به سوخت گازی یا مایع اجازه می دهد در گروهی از مکان های جامد با کاتالیزور و الکترولیت در تماس قرار بگیرد که خیلی سریع تغییر نمی کنند.
بنابراین ، یک وضعیت واکنش سه فازی روی الکترود معمولی رخ می دهد که باید به عنوان یک هادی الکتریکی نیز عمل کند. اینها را می توان از طریق ورقه های نازکی تهیه کرد که دارای (۱) یک لایه ضد آب هستند که معمولاً حاوی پلی تترافلوئوراتیلن (تفلون) است ، (۲) یک لایه فعال از یک کاتالیزور (به عنوان مثال ، پلاتین ، طلا یا یک ترکیب آلی فلزی پیچیده بر روی یک پایه کربن) (۳) یک لایه رسانا برای انتقال جریان تولید شده به داخل یا خارج الکترود.
بهتر است بدانید:
اگر الکترود توسط الکترولیت اشباع شود ، در بهترین حالت سرعت کار بسیار کند خواهد شد. اگر سوخت به سمت الکترولیت الکترود برود محفظه الکترولیت ممکن است با گاز یا بخار پر شود ، در صورت رسیدن گاز اکسید کننده به محفظه الکترولیت یا ورود گاز سوختی به محفظه گاز اکسید کننده ، منفجر می شود.
به طور خلاصه ، برای حفظ عملکرد پایدار در یک پیل سوختی در حال کار ، طراحی دقیق ، ساخت و کنترل فشار ضروری است. از آنجا که سلولهای سوختی در پروازهای آپولو و همچنین سایر مأموریت های فضایی آمریکا (به عنوان مثال ، مأموریتهای Gemini و شاتل فضایی) مورد استفاده قرار گرفته اند ، بدیهی است که می توان هر سه مورد را با اطمینان برآورده کرد.
تهیه سیستم پشتیبانی پیل سوختی از پمپ ها ، دمنده ها ، سنسورها و کنترل ها برای حفظ میزان سوخت ، بار جریان الکتریکی ، فشار گاز و مایع و دمای سلول سوخت همچنان یک چالش مهم در طراحی و مهندسی است. پیشرفت های چشمگیر در طول عمر این اجزا در شرایط نامساعد به استفاده گسترده از سلول های سوختی کمک خواهد کرد.
