سلول (پیل) سوختی

پیل سوختی (Fuel cell)

سلول سوختی مانند سلول های گالوانی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی است. یک سلول سوختی، هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در این فرآیند الکتریسیته تولید می کند.

مواد شیمیایی ، به طور پیوسته در داخل سلول سوختی جریان دارند، بنابراین تا مادامی که جریان مواد شیمیایی به سلول برقرار باشد و الکتریسیته به بیرون آن جریان داشته باشد، سلول سوختی تمام نمی شود. مواد اولیه بیشتر سلولهای سوختی که امروزه استفاده می شوند هیدروژن و اکسیژن هستند. انواع دیگر پیل سوختی مانند پیل سوختی متانول نیز کاربردهای خاصی دارند.

در مورد پیل سوختی هیدروژنی می توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس برقکافت آب استفاده می گردد، به عبارت دیگر از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن؛ آب، حرارت و الکتریسیته تولید می شود.

عملکرد پیل سوختی

هر پیل سوختی دارای دو الکترود (آند و کاتد) و یک الکترولیت ما بین این دو الکترود و غشا به منظور جدا کردن دو بخش پیل می‌باشد. هیدروژن از قطب آند وارد سلول سوختی می شود. فشار، این گاز را به سمت کاتالیزگر فشرده می کند.

هنگامی که یک ملکول H₂ در تماس با کاتالیزگر (پلاتین) قرار گیرد، به دو یون ⁺H و دو الکترون (e) تجزیه می شود. الکترون های تجزیه شده از طریق آند به مدار خارجی راه می یابند.

^-H₂(g) → 2H⁺ + 2e-

الکترون هایی که به مدار خارجی راه یافته بودند یک کار مفید مانند روشن کردن یک لامپ را انجام می دهند و به قطب کاتد سلول سوختی باز می گردد.

از طرفی دیگر در کاتد سلول سوختی گاز اکسیژن (O₂) به سمت کاتالیزگر هدایت می شود

اکسیژن در کاتد با یون ⁺H و الکترون واکنش نشان داده و تولید آب و حرارت می کند.

O_2(g) + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O_(g)

این سل به تنهایی 1/23 ولت نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌کند که برای روشنایی یک لامپ کوچک کافی است. اگر این پیل ها به صورت سری قرار گیرند قادر به تولید برق با توان چندین مگاوات می‌باشند.

H_2(g) + O_2(g) → 2H₂O_(g)

مزایا

مزایای پیل‌های سوختی بطور کلی عبارتند از:

1. پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندان سوختهای فسیلی را حذف نموده و تنها محصول جانبی آن آب می‌باشد.
2. در صورتی‌که هیدروژن مصرفی حاصل از برقکافت آب باشد انتشارگازهای گلخانه ای به صفر می‌رسد.
3. به دلیل وابسته نبودن به سوختهای فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، درمصرف سوختهای فسیلی صرفه جویی می شود.
4. به دلیل استفاده از سوخت‌های تجدید پذیر وتولید نشدن گاز کربن دی اکسید عاملی که سبب گرمایش زمین می شودحذف می گردد.
5. با نصب پیل های سوختی ، نیروگاههای بزرگ تولید الکتریسیته در فضای کوچکتری دایر می شوند.
6. پیل‌های سوختی راندمان بالاتری نسبت به سوختهای فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارند.
7. هیدروژن که سوخت اصلی پیل های سوختی است را می توان در هر مکانی از برقکافت آب تهیه کرد .لذا مشکل تهیه مواد اولیه به راحتی برطرف می شود.
8. اکثر پیل های سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی صدا هستند.
9. زمان عملکرد آن‌ها از باتری های متداول بسیار طولانی‌تر است. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفی می‌توان زمان عملکرد را دو برابر نمود و نیازی به دو برابر کردن خود پیل نمی‌باشد
10. سوخت گیری مجدد پیل های سوختی به راحتی امکان‌پذیر می‌باشد
11. بعلت عدم وجود اجزای متحرک، نگهداری از آن‌ها بسیار ساده و آسان می‌باشد.
12. نصب و بهره‌برداری از پیل‌های سوختی بسیار ساده و مقرون به صرفه است.
13. این مولدها قابلیت تولید هم‌زمان برق و حرارت را دارند.
14. به میکروتوربین ها متصل می‌گردند.
15. پیل سوختی امکان تولید برق مستقیم با کیفیت بالا را دارد.

معایب

1. به مواد بیشتر و فرایندهای سریعتری نسبت به دیگر پیل‌ها نیاز دارد.
2. تامین سوخت یکی از چالش های کاربرد پیل سوختی است.
3. انرژی الکتریکی در این سلول ها ذخیره نمی شود.
4. ممکن است ضمن استفاده طولانی مدت از پیل سوختی، گرمای زیادی تولید شود و این عامل سبب بروز مشکلاتی نظیر واکنش های ناخواسته‌ی انفجاری و افت انرژی شود.
5. در صورت استفاده از سوخت ناخالص، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در نهایت مسمومیت پیل می‌گردد.

زمینه‌های مختلف استفاده از پیل‌های سوختی

۱- حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایل نقلیه عمومی): چند نمونه اتوبوس هیدروژنی تولید شرکت بالارداز سال ۲۰۰۷ در ویسلر کانادا مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اولین مدل تجاری خودرو پیل سوختی توسط هیوندای در سال 2015 به بازار عرضه شده‌است. سایر شرکت‌های عمده خودروسازی نیز نخستین مدل‌های خودرو هیدروژنی خود را در سالهای ۲۰۱۶ و ۲۰۱۷ به بازار عرضه کردند.

۲- نیروگاه‌ها (نیروگاه‌های متمرکز و غیرمتمرکز اعم از خانگی، تجاری و صنعتی): پیل‌های سوختی به دلیل آرام و بی صدا بودن برای تولید برق محله‌ای گزینه خوبی محسوب می‌شوند. به علاوه کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی این نیروگاه‌ها می‌توان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.

۳- وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و ...)

۴-صنایع نظامی: پیل‌های سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانک‌ها، زره‌پوش ها و خودروهای نظامی استفاده می‌شوند. نداشتن قطعه متحرک در این نوع پیل‌های سوختی باعث کاهش صدا شده و به دلیل کارکرد در حرارت پایین ردیابی آن‌ها مشکل تر از خودروهایی با موتور درون سوز می باشد.

بروزترین روش تولید پیل سوختی

در حال حاضر، پیل‌های سوختی، شبیه به خودروها تولید می‌شوند؛ یعنی قطعات مختلف آن‌ها به صورت جداگانه ساخته شده و سپس روی هم سوار می‌شوند تا یک پیل سوختی تولید شود. این روند تولید، مراحل بسیار زیادی دارد و در عین هزینه بالای آن، زمان بسیار زیادی صرف تولید آن می‌شود. گروه تحقیقاتی تامپسون با استفاده از فرآیند پیشرفته ریزساخت، نسل جدید پیل‌های سوختی را تولید می‌کند. در این فرایند به جای تولید جداگانه پیل سوختی، آن‌ها به صورت لایه لایه ساخته می‌شوند، روشی که هم اکنون برای ساخت ابزارهای میکروالکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. پژوهشگران دانشگاه میشیگان امیدوارند با استفاده از این فناوری ارزان قیمت و همچنین استفاده از مواد ارزانتر، قیمت پیل‌های سوختی را از ۱۰ هزار دلار برای هر کیلو وات به ۱۰۰۰ دلار برسانند.

سوالات

۱-اگر بازده سوزاندن گاز هیدروژن در موتور درون سوز ۲۰٪ باشد. به نظر شما اکسایش آن در سلول سوختی بازدهی بیشتری دارد یا کمتر؟ چرا؟

۲-آیا می توان گفت سلول سوختی دوستدار محیط زیست بوده و منبع انرژی سبز به شمار می رود؟

۳-مزایا و معایب پیل سوختی که منبع سوخت آن متان است نسبت به پیل سوختی هیدروژنی چیست؟