پیل های سوختی

تولید برق از واکنش الکترو شیمیایی

دردبیرستان دانش آموزان با استفاده از دوالکترود فلزی در داخل آب از جنس پلاتین و عبور جریان برق مستقیم باعث تجزیه آب به گاز هیدروژن و اکسیژن می شوند (شکل ۱).

برای تولید برق از واکنش الکترو شیمیایی (پیل های سوختی) به صورت معکوس عمل می شود یعنی از واکنش هیدروژن و اکسیژن در شرایط خاص، جریان برق و گرما تولید می گردد ( شکل ۲ ).

در این نوع پیل سوختی از الکترولیت ( معمولا اسید فسفریک ) و دو عدد الکترود استفاده میشود. در یک سو هیدروژن از بخش آند (-) به سیستم وارد می شود و در مجاورت کاتالیست، یون ها مثبت هیدروژن ( H+) و الکترون (e-) تولید می شوند. الکترولیت اجازه عبور بارهای مثبت (H+) را داده ولی عبور الکترون‌ها را بلوک می کند . یونهای منفی ( الکترون ها ) از طریق سیم هادی متصل به پیل سوختی از آن خارج و پس از عبور از بار الکتریکی وارد کاتد می شوند در حقیقت جریان الکتریکی بوجود آمده است. در کاتد نیز گاز اکسیژن وارد شده (O_۲) به کمک کاتالیزور به دو اتم مجزا اکسیژن تبدیل می شوند . الکترون های عبوری از بار الکتریکی و وارد شده به کاتد به همراه اتم های مثبت هیدوژن (H+) و اتم های اکسیژن موجود در کاتد با هم دیگر ترکیب شده و آب و گرما ایجاد می کنند (شکل ۳).

پیل های سوختی براساس الکترولیت مورد استفاده به چهار گروه و براساس دمای کاری به سه دسته دمای بالا، دمای متوسط و دمای پایین تقسیم می شوند:

درشکل شماره ۴ تقسیم بندی انواع پیل های سوختی اشاره شده را براساس نوع الکترولیت و دمای کاری می توان ملاحظه نمود.

پیل های سوختی با دمای بالا:

پیل سوختی Solid – Oxid fuel cell (SOFC) از دمای ۷۰۰ الی ۱۰۰۰، و Moltan – Carbonate (MCFC) در دمای حدود ۶۵۰ سانتی‌گراد کار می کنند و ازمشخصه ویژه آن‌ها واکنش سریع شیمیایی و راندمان کاری بالای‌ است . به علت واکنش سریع الکتروشیمیایی نیاز به استفاده از فلزگرانبهای پلاتین برای کاتالیزور نیست . برای هر دو نوع گفته شده می توان از انواع دیگر خوراک سوختی بغیر هیدروژن استفاده نمود . گرمای بالای ایجاد شده نیز دارای مصارف گوناگون است . ولی به علت حرارت زیاد کاری نمیتوان از هر ماده ای برای ساخت پیل سوختی استفاده نمود . این نوع پیل سوختی نیاز به بالا بردن ضریب اطمینان و تداوم کاری آن دارد و در آینده امید به استفاده از آن در مصرف عمومی است.

پیل های سوختی با دمای کارکرد متوسط :

از نمونه بارز این پیل سوختی نوع اسید فسفریک آن بوده که بسیار قابل اطمینان است. نوع اسید فسفریک که به PAFC معروف است در دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد کار می کند. راندمان کاری قابل قبولی دارد. این نوع پیل سوختی از قدیمی ترین انواع پیل سوختی است که تحقیقات زیادی در زمینه ضریب اطمینان و راندمان کاری آن انجام پذیرفته است و درحال حاضر دربالاترین سطح کارایی خود قرار دارد. به همین دلیل این نوع پیل سوختی بیشترین مصرف عمومی و استفاده در کاربردهای مختلف را دارد.

پیل سوختی با دمای کارکرد پایین

این نوع از پیل های سوختی به نام Polymer-electrolyte full cell (PEFC) شناخته می‌شوند و دارای کارکردی آسان و دمای کاری حدود ۸۰ درجه سانتی گراد هستند. انتظار می رود که در مصارف خانگی بیشترین کاربرد را داشته باشد. این نوع پیل سوختی نیاز به بالا بردن ضریب کارکرد دائم خود را دارد و در حال حاضر تحقیقات زیادی در این مورد انجام می پذیرد.

مشخصه ویژه پیل های سوختی

پیل های سوختی دارای راندمان بالای تولید انرژی برق هستند. در حال حاضر با رشد کم سابقه مصرف منابع فسیلی و تولید گازهای گلخانه‌­ای مشکل بزرگی برای محیط زیست همه مردم جهان پدید آمده است . در شرایط حاضر پیل های سوختی با توجه به شرایط کاری خود و اینکه کمترین آسیب را به محیط زیست بشر وارد می سازند، از گزینه های جدی هستند.

راندمان بالای کاری

در روش معمولی و سنتی تولید برق، از سوختهای فسیلی برای ایجاد گرما و تولید بخار یا گاز داغ جهت استفاده در به حرکت در آوردن توربینهای دوار استفاده میشود که به نو به خود این توربین ها به ژنراتورهای برق متصل هستند و انرژی مکانیکی به الکتریکی تبدیل می شود. در فرایند تولید انرژی الکتریکی در حقیقت چهار نوع تبدیل انجام می پذیرد، یعنی در مرحله اول شیمیایی به حرارتی تبدیل می شود و سپس انرژی حرارتی به انرژی جنبشی تبدیل و در انتها انرژی جنبشی در ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. درهر یک ازاین تبدیل ها مقادیری از انرژی به هدر می رود که در نهایت راندمان کاری به شدت پایین می رود.

به همین جهت پیل های سوختی به علت جلوگیری ازمراحل هدر رفتن انرژی دارای مزیت بالای راندمان کاری هستند. همان طوری که شکل شماره ۴ دیده می شود راندمانهای روش معمول تولید برق از سوختهای فسیلی حدود ۳۵ % است در حالی که راندمان تولید برق از پیل های سوختی تا ۸۰% تخمین زده می شود. علاوه بر این راندمان بالا، استفاده از پیل های سوختی به کم نمودن گاز CO_۲ محیط زیست کمک شایان می کند. راندمان بالای تولید جریان برق در پیل های سوختی حتی در هنگامی که با ظرفیت پایین کار می کند، از سایر مزایای آن به شمار می رود.

سابقه فوجی الکتریک در تولید پیل سوختی

شرکت فوجی الکتریک پیشرو در زمینه تحقیق و تولید پیل های سوختی بر اساس اسید فسفریک در کشور ژاپن است. محدوده توان پیل های سوختی تولیدی این شرکت از چند کیلو وات تا پنج مگاوات است . این شرکت اولین تولید کننده پیل های سوختی در ژاپن است و در خصوص سایر انواع پیل های سوختی نیز تحقیقات وسیعی دارد و ارائه کننده انواع پیل های سوختی با فناوری های مختلف به بازار جهانی است.

موارد مصرف پیل های سوختی

در سالیان گذشته مصرف عمده پیل های سوختی در صنایع هوا – فضا و نظامی با توجه به قیمت بالای آن بوده است که در این صنایع قیمت نقش دوم را در مقابل مزایایی عرضه شده توسط سیستم دارد.

در حال حاضر با توجه به قیمت مناسب و اقتصادی پیل های سوختی، این نوع منابع تولید انرژی الکتریکی جای خود را در مصرف عمومی و خانگی باز نموده اند. استفاده از پیل سوختی در خودرو، منازل، بیمارستان ها، کانکس های مخابراتی، ساختمانهای بزرگ تجاری و اداری و در هر جا که نیاز به یک منبع انرژی الکتریکی تمیز و مطمئن است، متداول گردیده است و به عنوان یک سامانه تولید انرژی تمیز و دوستدار محیط زیست در کشور صنعتی شناخته می شود.

برای کسب اطلاعات بیشتر لطفا اینجا را کلیک کنید.