پیل سوختی چیست؟

پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است. این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از بازدهٔ بالایی برخوردار است.در واقع می‌توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز آب استفاده می‌گردد، به عبارت دیگر از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌گردد. هر سلول در پیلهای سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت تشکیل شده‌است…

ساختمان پیل سوختی

هر پیل سوختی از سه جزء اصلی تشکیل شده‌است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشا. گاز هیدروژن که به عنوان سوخت به کار می‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش می‌یابد. طی این واکنش یون هیدروژن مثبت و الکترون تولید می‌شوند. یون‌های هیدروژن به همراه الکترون‌ها از کاتد به آند انتقال می‌یابند. انتقال یون‌های هیدروژن از طریق الکترولیت و انتقال الکترون از طریق یک مدار خارجی صورت می‌گیرد. اکسیژن موجود در کاتد با الکترون‌ها و یون‌های هیدورژن واکنش داده، آب تولید می‌کند. شکل ۱ شمایی کلی از یک پیل سوختی را نشان می‌دهد.

                  شمای کلی از یک پیل سوختی

واکنش در آند H2 ۲H+ + ۲e

واکنش در کاتد O2 + 4H+ + 4e -2H2O

واکنش کلی ۲H2 + O2 2H2O

براى سرعت بخشیدن به روند انجام واکنش یاد شده و تولید جریان برق از کاتالیزور استفاده مى شود. بهترین کاتالیزور این واکنش «پلاتین» است. شکل ظاهرى همه پیل سوختى ها به هم شبیه است . دو الکترود مثبت(آند) و منفی(کاتد) اجزاى سازنده آن را تشکیل مى دهد که به دور یک الکترولیت(جامد یا مایع) پیچیده شده اند. یک مدار خارجى دو الکترود را به هم اتصال داده و الکترون هاى اطراف مدار را به جریان الکتریسیته تبدیل مى کند. درحقیقت واکنش شیمیایى میان عناصر اکسیژن و هیدروژن در پیل سوختى سبب تولید انرژى پاک مى شود. تنها محصول جانبى حاصل از این فرآیند، آب است. در پیل هاى سوختى مختلف از سوخت هاى مختلف استفاده مى شود و الکترولیت هاى متفاوتى در آنها به کار مى رود.

انواع پیل‌های سوختی

پیل‌های سوختی را به طور معمول، بر اساس نوع الکترولیتی که در آن به کار می‌رود، به پنج دسته طبقه‌بندی می‌کنند:

مزایای پیل‌های سوختی

حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایط نقلیه عمومی): امروزه همه تولید‌کنندگان عمده خودرو بر روی تولید تجاری خودروهای پیل سوختی سرمایه‌گذاری کرده‌اند. پیل‌های سوختی می‌توانند به عنوان مولد انرژی در اتوبوس‌ها، قایق‌ها، هواپیماها و حتی دوچرخه‌ها نیز استفاده شوند (شکل ۲).

پیل‌های سوختی می توانند در انواع وسایل نقلیه استفاده شوند. پیل سوختی می‌تواند در قسمت عقب یا جلوی وسیله نقلیه قرار داده شود.

پیل های سوختی می‌توانند برای شارژ کردن انواع وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی) استفاده شوند.

صنایع نظامی: پیل‌های سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانک‌ها، زره‌پوش و خودروهای نظامی استفاده می‌شوند. چون در این دسته از پیل‌های سوختی هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد پس کم صدا بوده و از آنجایی که درجه حرارت پایین نیز کار می‌کنند ردیابی این خودروها نسبت به خودروهای با موتور درون‌سوز مشکل‌تر خواهد بود. پیل‌های سوختی پلیمری که در دمای پایین کار می کند، بیشتر در خودرو و وسایل قابل حمل کاربرد دارد. پیل سوختی اکسید جامد که در دماهای بالاتر به کار می افتد، در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاتالیزور و نقش آن در پیل سوختی

واکنش‌هایی که در پیل سوختی اتفاق می‌افتند، از دسته واکنش‌های اکسایش و احیا هستند و سرعت انجام آنها آهسته می‌باشد. بنابراین در پیل‌های سوختی که در دمای کم کار می‌کنند، مانند پیل سوختی پلیمری، برای بالا بردن بازده پیل سوختی باید از کاتالیزور استفاده کرد.

نحوه کار و پیدایش پیل های سوختی

سری پیل سوختی جهت تولید انرژی با راندمان بهینه ، نیازمند تجهیزات جانبی بنام سیستم پیل سوختی است که شرایط بهینه عملکرد برای پیل سوختی ، شامل خلوص سوخت ، مقدار هوا و سوخت ورودی به سری پیل سوختی ، رطوبت گازها و مدیریت آب ، کنترل دما و نهایتا فشار گازها در سیستم و سری پیل سوختی را کنترل نمایند. یک سیستم پیل سوختی را می‌توان به سه قسمت عمده شامل بخش سوخت رسانی (مبدل سوخت و سیستم ذخیره هیدروژن) ، بخش تولید انرژی شامل سری پیل سوختی و سیستم کنترل رطوبت ، فشار ، دما و دبی گازها و نهایتا بخش تبدیل انرژی که مربوط به فصل مشترک بین پیل سوختی و مصرف کننده برق جهت تبدیل جریان و ولتاژ برق به ولتاژ و جریان مناسب می‌باشد، تقسیم نمود.

متناسب با نوع پیل سوختی و کاربرد آن ، این سیستمها ساده و یا پیچیده می‌باشند، به عنوان نمونه در پیلهای سوختی نیروگاهی ، بخش مبدل سوخت که سوختهای فسیلی ، بیومس و یا … را تبدیل به هیدروژن خالص می‌نماید، بخش پیچیده و اصلی سیستم سوخت رسانی را تشکیل می‌دهد. در مصارف خودرویی سیستم سوخت رسانی بنا به نوع زیر ساخت سوخت موجود می‌تواند دو شکل زیر را به خود بگیرد:

در صورتی که هیدروژن در جایگاه سوخت گیری تولید شود، سیستم ذخیره سوخت خودرو می‌تواند روشهای مختلفی از قبیل ذخیره هیدروژن در مخازن تحت فشار ، بکار گیری نانوتیوبها ، بکارگیری جاذبهای هیدرید فلزی ، بکارگیری هیدریدهای شیمیایی و … را شامل شود. در صورت تولید هیدروژن در خودرو ، مبدل سوخت (بالاخص مبدل بنزین و متانول) قابل نصب بر روی خودرو بخش اصلی و پیچیده سیستم سوخت در خودرو را شامل می‌گردد.

بخش سوخت رسانی

سوختهای متداول همچون گاز طبیعی ، پروپان و بنزین و سوختهایی مانند متانول و اتانول ، همگی در ساختار مولکولی خود هیدروژن دارند. با بکارگیری مبدل نصب شده بر روی خودرو (onboard) یا مبدلهایی که در محلهای سوخت گیری نصب می‌شوند، می‌توان هیدروژن موجود در این سوختها را جدا کرده و به عنوان سوخت در پیل سوختی مورد استفاده قرار داد. بدین ترتیب مشکل ذخیره سازی هیدروژن و توزیع آن تقریبا بطور کامل رفع می‌شود. کار مبدل سوخت فراهم آوردن هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی با استفاده از سوختهایی است که در دسترس بوده و حمل و نقل آن آسان می‌باشد. مبدلهای سوخت باید توانایی انجام این کار را با حداقل آلودگی و بالاترین راندمان داشته باشند. عملکرد مبدلهای سوخت به زبان ساده عبارت است از اینکه یک سوخت سرشار از هیدروژن را به هیدروژن و محصولات فرعی دیگر تبدیل نماید.

یکی از مشکلات مهم در زمینه ساخت مبدلها اندازه و وزن مبدل می‌باشد. برای ارتقاء سطح بازده ، لازم است وزن و حجم مبدلها به ازای هر واحد انرژی الکتریکی حاصل از سیستم تا حد ممکن کاهش یابد. به همین ترتیب ، هزینه ساخت مبدلها نیز باید پایین نگاه داشته شود تا گران بودن این فناوری مانع از تولید انبوه خودرو نشود. دومین مشکل مهم در این زمینه میزان خلوص هیدروژن تولید شده از مبدلها است. آلاینده‌هایی همچون مونوکسید کربن (و در بعضی از انواع سوخت ، سولفیدها) از محصولات فرعی فرآیند تبدیل هستند. در این میان ، مقدار زیاد مونوکسید کربن می‌تواند موجب سمی شدن کاتالیست پیل سوختی شود. از این رو لازم است قبل از ورود سوخت به درون پیل سوختی ، مونوکسید کربن آن حذف شود. اگر چه انواع مختلفی از مبدلهای سوخت وجود دارند که اغلب از ترکیب فناوریهای مختلف حاصل گردیده‌اند، اما انواع اصلی مبدلهایی که در زمینه متداول هستند عبارتند از:

اصول اولیه عملکرد هر یک از این فناوریها و فرآیندهای شیمیایی مربوط به آنها بطور مجزا به قرار ذیل می‌باشد:

مبدل با سیستم بخار

فرآیند تبدیل به کمک بخار یک فرآیند دو مرحله‌ای به صورت زیر است: در واکنش اول از اکسیژن موجود در بخار آب داغ (معمولا بیش از ۵۰۰ درجه سانتیگراد) برای جدا سازی کربن از هیدروژن و تولید مولکولهای هیدروژن و اکسیدهای کربن استفاده می‌شود. همزمان با این واکنش (بسته به دمای بخار) ، در واکنش دوم مونوکسید کربن به دی اکسید کربن تبدیل شده و بدین ترتیب هیدروژن بیشتری آزاد می‌شود. مرحله تصفیه گاز خروجی از مبدل سیستم بخار بسیار اهمیت دارد، چرا که معمولا گاز خروجی از مبدلها خالص و عاری از مواد زائد نبوده و نمی‌توان آن را مستقیما به عنوان سوخت به درون پیل سوختی فرستاد.

این ناخالصیها عبارتند از: مونوکسید کربن و دی اکسید کربن ناشی از واکنشهای درون مبدل ، باقیمانده سوخت (مانند متانول یا بنزین) ، اکسیدهای نیتروژن ، اکسیدهای سولفور ، و ترکیبات آلی فرار که همه این ناخالصیها در حقیقت از سوخت اولیه ناشی می‌شوند. از این رو ضروری است که جدا سازی این ناخالصیها از گاز خروجی نهایی مبدل ، صورت پذیرد. بویژه در مورد جدا سازی مونوکسید کربن که سطح استاندارد برای پیلهای سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند، کمتر از ۱۰ ppm در نظر گرفته شده است تا بدین ترتیب از سمی شدن کاتالیست موجود در پیل سوختی بخصوص پیل سوختی پلیمری جلوگیری به عمل آید.

یک پیل سوختی جهت تولید انرژی با بازدهی بهینه ، نیاز به تغذیه مداوم سوخت و اکسید کننده ، خروج آب تولیدی از واکنش الکتروشیمیایی درون پیل ، مرطوب نگهداری غشاء توسط مرطوب نگه داشتن گازهای ورودی ، کنترل درجه حرارت و فشار دارد. تجهیزات و امکانات جانبی که این شرایط بهینه را برای پیل سوختی فراهم می‌آورند، سیستم پیل سوختی نام دارند. یک سیستم پیل سوختی را بطور کلی می‌توان به اجزای اصلی زیر تقسیم کرد:

هر یک از این سیستمها می‌توانند بر عملکرد یکدیگر و بر سری پیل سوختی تأثیر متقابل داشته باشند. همچنین متناسب با نوع پیل سوختی و کاربرد آن ، این سیستمها می‌توانند متفاوت باشند که در اینجا بطور مشروح به بررسی هر یک از آنها خواهیم پرداخت.

پیلهای سوختی برای وسایل قابل حمل الکترونیکی

باتریها برای بسیاری از وسایل قابل حمل مانند کامپیوترهای کیفی و تلفنهای همراه وصله ناجورند. آنها پر هزینه ، سنگین و مزاحم هستند و اغلب در بدترین مواقع به شارژ نیاز دارند. پیشرفتهالی اخیر در فن آوری پیل سوختی ممکن است به حل این مشکل بینجامد. چند گروه پژوهشی در حال ابداع “ریز پیلهای سوختی” هستند که به تلفنهای همراه امکان می‌دهد در حالت آماده برای هفته‌ها کار کنند. پیلهای سوختی وسایل ساده‌ای هستند که اساسا از رساناهای نافلزی به نام الکترولیت که میان دو الکترود قرار می‌گیرند تشکیل شده‌اند. هیدروژن از سوختی ، مانند متانول ، از درون الکترولیت جریان می‌یابد و با یک عامل اکسنده ، مانند اکسیژن هوا ، مخلوط می‌شود و از واکنش شیمیایی جریان الکتریکی بین دو الکترود برقرار می‌شود. پیلها را می‌توان به سهولت و به سرعت با افزودن سوخت بیشتر دوباره پر کرد.

پیلهای سوختی به لحاظ محیطی نیز تمیزند، زیرا اصلی‌ترین فرآورده جنبی آنها ، آب حاصل از ترکیب هیدروژن و اکسیژن است، در حالی که باتریهایی که نهایتا از شارژ کردن مکرر فرسوده می‌شود، مسئله دفع دارند. اکنون یکی از پژوهشگران آزمایشگاه ملی آلاموس یک ریز پیل سوختی اختراع کرده است و پیش بینی می‌کند که توان پیل او در اندازه و قیمت یکسان ولی از نصف وزن باتریهای نیکل – کادمیوم مرسوم ۵۰ برابر بیشتر باشد. این پژوهشگر پیش بینی می‌کند که تلفنهای همراه به این طریق با مصرف کمتر از ۶۰ گرم متانول در حال آماده بطور پیوسته به مدت ۴۰ روز کار کنند. این اختراع بیشتر یک پیروزی مهندسی است تا یک اعجاب علمی. در ساخت این پیل وی از روشهای جدید برای ساخت مدار الکترونی بهره جسته و آنها را در فن اوری پیلهای سوختی بکار گرفته است.

عامل کلیدی در بسته بندی است. در حالی که غالب پژوهشگران با طراحی الکترولیت و الکترودها آغاز کردند، این پژوهشگر دریافت که بهترین راه رسیدن به کوچک سازی و تولید انبوه ، استفاده از یک فیلم نازک پلاستیکی به عنوان ظرف پایه برای پیلهای سوختی میکروسکوپی است. غشای پلاستیکی به ضخامت تنها ۲۵ میکرون با ذرات هسته‌ای بمباران می‌شود، به این ترتیب حکاکی شیمیایی سبب ایجاد منافذ ریزی می‌شود که محل ریختن الکترولیت مایع است. صفحات فلزی الکترود ، کاتالیزگر و یک شبکه رسانش که پیلهای مجزا به هم متصل می‌کند با استفاده از روشهای عملی تراشه سازی مانند رسوب گذاری در خلا روی ساختار پلاستیکی ، لایه گذاری و حکاکی می‌شوند. طبق نظر پژوهشگران “پیلهای سوختی اساسا مثل مدارهای چاپی ساخته می‌شوند”.

اصلاح لایه‎های نفوذ گازی پیل‎های سوختی تبادل یون پروتون با استفاده از نانولوله‎کربنی

لایه‎های نفوذ گاز شامل یک لایه نفوذ گاز و یک لایه میکرو متخلخل میباشند. کربن فعال به طور گسترده در لایه‎های میکرو متخلخل مورد استفاده قرار گرفته است. عملکرد اصلی لایه نفوذ گاز عبارتست از: توزیع واکنشگرها بر روی جایگاههای فعال الکترود، مدیریت آب و بهبود تماس الکتریکی بین الکترود و صفحات دو قطبی. در این تحقیق، نانولوله‎های کربنی در لایه میکرو متخلخل نفوذ گاز مورد استفاده قرار گرفته‎اند. لایه‎های نفوذ گاز با ترکیب درصدهای متفاوتی از کربن فعال و نانولوله‎کربنی و مقادیر مختلفی از PTFE، با دو روش میکرو افشانه و پوششدهی چرخان، اصلاح شدند. لایه‎های نفوذگاز اصلاح شده تحت آنالیزهای زاویه تماس، توزیع اندازه حفرات و تصویر میکروسکوپ الکترونی قرار گرفتند. در نهایت، با استفاده از بهترین لایه نفوذ گاز اصلاح شده، مجموعه (الکترود- غشاء) آماده شد و در دستگاه پیل سوختی، منحنیهای پلاریزاسیون به دست آمد. با استفاده از نتایج توزیع اندازه حفرات و مقایسه دو روش پوشش دهی مشاهده گردید که پوشش دهی با استفاده از میکرو افشانه در مقایسه با پوشش دهی چرخان دارای حفرات ریزتر، توزیع اندازه حفرات مناسبتر و تخلخل بیشتری است که در نتیجه سبب بهبود خواص توزیع گاز و مایع و در نتیجه سبب افزایش عملکرد پیل سوختی می‎شود.تصویر میکروسکوپ الکترونی لایه‎های نفوذ گاز اصلاح شده، الگوی توزیع یکنواخت و بدون شکاف از پودرهای کربنی در میکرولایه متخلخل را نشان داد. اصلاح لایه نفوذ گاز با استفاده از مخلوط ۵۰ درصد وزنی نانو لوله کربنی و ۵۰ درصد وزنی کربن فعال، عملکرد بهتری در مقایسه با لایه نفوذ گاز اصلاح شده با استفاده از مخلوط ۱۰۰ درصد وزنی نانو لوله کربن از خود نشان میدهد. با استفاده از مواد نانو، لایه‎های میکروی، نازک‎تر ساخته شد. همچنین، لایه‎های میکروی جدید دارای عبورپذیری گازی بالاتر، هدایت الکتریکی بهتر همراه با مدیریت آب و عملکرد بالاتر بودند.

منابع:

نانو کلاب

مگ ایران

سراج

uokeebp89

ویکی پدیا