مزایای پیل های سوختی و نحوه عملکرد آنها

انواع پیل سوختی و کاربردهای آن

طبقهبندیرایجپیلهایسوختیبراساسنوعالکترولیتآنهامیباشدکه عبارتستاز :

• (PEMFC ) پیلسوختیپلیمری
• (AFC ) پیلسوختیقلیایی
• (PAFC) پیلسوختیاسیدفسفریک
• (MCFC) پیلسوختیکربناتمذاب
• (SOFC) پیلسوختیاکسیدجامد
• (DMFC) پیلسوختیمتانولی

خلاصهایازخصوصیاتهرکدامازانواعپیلهایسوختیوجدولخصوصیاتآنهابشرحذیلمیباشد:

١. پیلسوختیغشاءپروتون(PEMFC )

پیلهایسوختیغشاءپروتوندارایغشاءپلیمریجامدهستندکهدرحالحاضرعمدتًاغشاء    Nafion دراینپیلسوختیبکاربردهمیشودوبهشکلیکورقهباریکمنعطفاست. اینغشاءکوچکوسبک بودهودردمایپایینکارمیکند)دمایکارکردبهینهدرحدود٨٥درجهسانتیگراداست. ( سایرالکترولیتهای جامددردمایبالاکارمیکنند. شکلزیریکالکترولیتغشاءپروتونرابهمانشانمیدهد.

برایسرعتبخشیدنبهواکنش،یککاتالیستپلوتونیومیدردوسطحغشاءالکترولیتاستفادهمیشودکه اینکاتالیستموجبافزایشقیمتپیلسوختیمیشود؛امابدلیلجامدبودنالکترولیتپیلسوختیوهمچنینانعطافپذیربودناینالکترولیت،امکانشکستنیاترکخوردندرآنکماستواینمشخصه،پیلسوختیPEMرابرایکاربردهایخانگیوکاربردهایحملونقلیمناسبمیکند.

درپیلسوختینوعPEMاتمهایهیدروژندرآندیونیزهمیشوندوالکترونهایآنهاجدامیشود. یونهای هیدروژنکهشاملبارمثبتهستند،بهسطحغشاءخللدارنفوذمیکندوبسمتکاتدمیروند؛الکترونهای
جداشدهنمیتوانندازاینغشاءعبورکنندوازیکمدارخارجیعبورمیکنندوموجبتولیدبرق میشوند. درکاتدالکترونها،پروتونهایهیدروژنواکسیژنموجوددرهواباهمترکیبمیشوندوآبرا تشکیلمیدهند.پیلسوختی PEM نیازمندهیدروژنخالصاست؛ بنابراینبایدازیکرفورمردرخارج ازپیلسوختیاستفادهکنیمتااحتمالبوجودآمدن CO ودرنتیجهمسمومیتکاتالیستراکاهشدهیم

واکنشهایانجامشدهدرآندوکاتدبشرحذیلاست :

  

مزایا:

• دمایپایینوشروعبکارسریع
• عدمحساسیتبهدیاکسیدکربن
• امکاناستفادهازگازهایمشتقازهیدروکربنبعنوانسوخت

معایب:

• حساسیتبهمونواکسیدکربن
• بکارگیریفلزاتکمیابدرساختمانپیل
• پیچیدهبودنسیستممدیریتآبدرمجموعهغشاءوالکترود

٢. پیلسوختیقلیایی(AFC)

پیلسوختیقلیاییباهیدروژنواکسیژنخالصکارمیکندوازمحلولهیدروکسیدپتاسیمدرآببعنوان الکترولیتاستفادهمیکنندوالکترود

پيل سوختي چيست و چگونه کار مي کند؟

• پيل سوختي1 چيست؟

پيل سوختي وسيله‌اي است که انرژي شيميايي
سوخت را مستقيماً به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند. عملکرد پيل سوختي مانند
باتري نيست که انرژي را ذخيره کند بلکه پيل سوختي حالتي از انرژي به حالت
ديگر تبديل مي‌کند، به طوري که در اين تبديل مواد داخل پيل مصرف نمي‌شوند .
گاز هيدروژن به دليل تمايل واکنش دهندگي بالا، فراواني و عدم آلايندگي
محيط زيست، به عنوان سوخت ايده‌آل در پيل‌سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

•  ساختمان پيل سوختي

هر پيل سوختي از سه جزء اصلي تشکيل
شده‌است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکتروليت يا غشا. گاز هيدروژن که به
عنوان سوخت به کار مي‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست
دادن الکترون، اکسايش مي‌يابد. طي اين واکنش يون هيدروژن مثبت و الکترون
توليد مي‌شوند. يون‌هاي هيدروژن به همراه الکترون‌ها از کاتد به آند انتقال
مي‌يابند. انتقال يون‌هاي هيدروژن از طريق الکتروليت و انتقال الکترون از
طريق يک مدار خارجي صورت مي‌گيرد. اکسيژن موجود در کاتد با الکترون‌ها و
يون‌هاي هيدورژن واکنش داده، آب توليد مي‌کند. شکل 1 شمايي کلي از يک پيل
سوختي را نشان مي‌دهد.

 واکنش در
آند                                                                                                                                          

 

تصوير 1- شماي کلي از يک پيل سوختي

واکنش‌هاي اکسايش-کاهش: اصطلاح اکسايش، پيش‌تر براي واکنش‌هاي ترکيب مواد با اکسيژن به کار مي‌رفت و کاهش به عنوان برداشتن اکسيژن از يک ترکيب اکسيژن‌دار، تعريف مي‌شد. اما امروزه اکسايش و کاهش بر اساس تغيير عدد اکسايش تعريف مي‌شود. اکسايش فرايندي است که در آن عدد اکسايش يک اتم افزايش مي‌يابد و کاهش، فرايندي است که در آن عدد اکسايش يک اتم کم مي‌شود.

•  انواع پيل‌هاي سوختي

پيل‌هاي سوختي را به طور معمول، بر اساس نوع الکتروليتي که در آن به کار مي‌رود، به پنج دسته طبقه‌بندي مي‌کنند:

1. پيل‌هاي سوختي قليايي
2. پيل‌هاي سوختي کربنات مذاب
3. پيل‌هاي سوختي اسيد فسفريک
4. پيل‌هاي سوختي اکسيد جامد
5. پيل‌هاي سوختي پليمري

از نگاهي ديگر، طبقه‌بندي پيل‌هاي سوختي
بر اساس دمايي است که پيل سوختي در آن کار مي‌کند. بر اين اساس پيل‌هاي
سوختي به دو دسته کلي پيل سوختي دما بالا و پيل سوختي دما پايين تقسيم‌بندي
مي‌شوند. در جدول 1 دمايي که انواع پيل‌هاي سوختي در آن کار مي‌کنند، به
همراه نوع الکتروليت و نام اختصاري آنها نشان داده شده است.

نوع پيل سوختي	نام اختصاري	الکتروليت	دماي کارکرد (C°)
پيل سوختي پليمري	PEM2	نفيون (نوعي پليمر)	80-100
100 -80 پيل سوختي قليايي	AFC3	پتاس	80-100
پيل سوختي اسيد فسفريک	PAFC4	اسيد فسفريک	200-220
پيل سوختي کربنات مذاب	MCFC5	نمک کربنات مذاب	650
پيل سوختي اکسيدجامد	SOFC6	YSZ ( نوعي سراميک)	1000

• مزايا و معايب پيل‌هاي سوختي

1.  مزاياي پيل‌هاي سوختي
   – داشتن بازدهي بالا نسبت به وسايلي که از سوخت‌هاي شيميايي معمول نظير نفت و بنزين استفاده مي‌کنند.
   – سازگاري با محيط زيست؛ چون تنها محصول جانبي ايجاد شده در پيل‌هاي سوختي آب مي‌باشد.
   – عدم آلودگي صوتي؛ از آن‌جايي‌که در پيل‌هاي سوختي اجزاي متحرک وجود ندارد، اين وسيله بسيار بي‌صدا و آرام است.
   – هزينه نصب کم و راه‌اندازي آسان
2. معايب پيل‌هاي سوختي
   – ناشناخته بودن فناوري پيل‌هاي سوختي در جهان
   – گران بودن؛ از آنجايي که هنوز خطوط توليد پيل‌هاي سوختي وجود ندارد،
   توليد انبوه آنها بسيار گران است. علاوه براين، در ساخت اين وسايل از برخي
   مواد گران قيمت (مانند کاتاليزورها) نيز استفاده مي‌شود.

• زمينه‌هاي مختلف استفاده از پيل‌هاي سوختي:

از پيل‌سوختي مي‌توان در زمينه‌هاي مختلفي براي توليد انرژي استفاده کرد، که معمول‌ترين آنها عبارتند از:

1. حمل ونقل (خودروهاي سواري و وسايط نقليه عمومي): امروزه همه
   توليد‌کنندگان عمده خودرو بر روي توليد تجاري خودروهاي پيل سوختي
   سرمايه‌گذاري کرده‌اند. پيل‌هاي سوختي مي‌توانند به عنوان مولد انرژي در
   اتوبوس‌ها، قايق‌ها، هواپيماها و حتي دوچرخه‌ها نيز استفاده شوند (شکل 2).

تصوير 2- پيل‌هاي سوختي مي توانند در
انواع وسايل نقليه استفاده شوند. پيل سوختي مي‌تواند در قسمت عقب يا جلوي
وسيله نقليه قرار داده شود.

1. نيروگاه‌ها (نيروگاه‌هاي متمرکز و غيرمتمرکز اعم از خانگي، تجاري،
   صنعتي): پيل‌هاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي
   مناسب‌اند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي
   از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
2. وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي و
   …): باتري‌ها براي بسياري از وسايل قابل حمل مانند کامپيوترهاي کيفي و
   تلفن‌هاي همراه نامناسب‌اند. باتري‌ها پرهزينه، سنگين و مزاحم هستند و اغلب
   در بدترين مواقع به شارژ نياز دارند. پيشرفت‌هاي اخير در فن‌آوري پيل
   سوختي ممکن است به حل اين مشکل بينجامد. چند گروه پژوهشي در حال ابداع «ريز
   پيلهاي سوختي» هستند که به تلفن‌هاي همراه امکان مي‌دهد در حالت آماده
   براي هفته‌ها کار کنند(شکل 3).

تصوير 3- پيل هاي سوختي مي‌توانند براي شارژ کردن انواع وسايل الکترونيکي قابل حمل (تلفن‌هاي همراه، رايانه‌هاي شخصي) استفاده شوند.

1. صنايع نظامي: پيل‌هاي سوختي که در دماي پايين کار مي‌کنند در
   تانک‌ها، زره‌پوش و خودروهاي نظامي استفاده مي‌شوند. چون در اين دسته از
   پيل‌هاي سوختي هيچ قطعه متحرکي وجود ندارد پس کم صدا بوده و از آنجايي که
   درجه حرارت پايين نيز کار مي‌کنند رديابي اين خودروها نسبت به خودروهاي با
   موتور درون‌سوز مشکل‌تر خواهد بود. پيل‌هاي سوختي پليمري که در دماي پايين
   کار مي کند، بيشتر در خودرو و وسايل قابل حمل کاربرد دارد. پيل سوختي اکسيد
   جامد که در دماهاي بالاتر به کار مي افتد، در نيروگاه‌ها مورد استفاده
   قرار مي‌گيرد

• کاتاليزور و نقش آن در پيل سوختي

واکنش‌هايي که در پيل سوختي اتفاق مي‌افتند، از دسته واکنش‌هاي اکسايش و
احيا هستند و سرعت انجام آنها آهسته مي‌باشد. بنابراين در پيل‌هاي سوختي
که در دماي کم کار مي‌کنند، مانند پيل سوختي پليمري، براي بالا بردن بازده
پيل سوختي بايد از کاتاليزور استفاده کرد.

کاتاليزور: کاتاليزور ماده‌اي است که سرعت يک واکنش شيميايي را زياد مي‌کند، بدون اين‌که خود در جريان واکنش مصرف شود. از اين رو؛ کاتاليزور را مي‌تون بدون تغيير، در پايان واکنش بازيابي کرد.

براي افزايش سرعت واکنش پيل‌هاي سوختي،
بايد در آند و کاتد از کاتاليزور استفاده کرد. انتخاب کاتاليزور مسئله مهمي
است و از هر ماده‌اي نمي‌توان به عنوان کاتاليزور استفاده نمود.
کاتاليزوري که واکنش‌هاي پيل سوختي را سرعت مي‌دهد فلز پلاتين است. وقتي
هيدروژن به آند وارد مي‌شود به کاتاليزور پلاتين مي‌رسد و در تماس با آن
راحت‌تر اکسيد مي‌شود. در کاتد نيز گاز اکسيژن بعد از ورود، به کاتاليزور
برخورد مي‌کند و واکنش کاتدي نيز در حضور پلاتين تسريع مي‌شود.
شايد بدانيد که فلز پلاتين بسيار گران‌قيمت مي‌باشد و همين مسئله سبب
افزايش قيمت يک پيل سوختي پليمري خواهد شد. همين قيمت بالاي پيل سوختي باعث
شده است که علي‌رغم تمام مزيت‌هاي پيل سوختي پليمري، هنوز محصولاتي که با
اين فناوري کار مي‌کنند به صورت تجاري مورد استفاده قرار نگيرند. براي
استفاده از پيل سوختي پليمري بايد قيمت آن را کاهش داد. چگونه؟
فناوري‌نانو با ارائه‌ي پيشنهادهايي دراين زمينه، شايد بتواند مشکل را حل
کند. در صورتي‌که مي‌خواهيد بدانيد فناوري نانو چگونه اين مشکل را رفع
مي‌کند تا مقاله‌ي بعدي اندکي صبر کنيد.
 

---