پیل سوختی
پردیس فناوری کیش-طرح مشاوره متخصص صنعت و مدیریت-گروه مهندسی مکانیک
پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است. این تبدیل مستقیم بوده و از بازدهٔ بالایی برخوردار است. معروف‌ترین نوع پیل سوختی حال حاضر پیل سوختی هیدروژنی است. انواع دیگر پیل سوختی مانند پیل سوختی متانول نیز کاربردهای خاصی دارند. در مورد پیل سوختی هیدروژنی 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 و غشا تشکیل شده‌است.
نحوه عملکرد
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. در قطب آند، هیدروژن بر روی یک کاتالیزور واکنش داده و تولید دو یون با بار مثبت و دو الکترون با بار منفی می‌کند.
H2(g) → 2H+ + 2e–
پروتون به وجود آمده از محیط الکترولیت گذر کرده حال آنکه الکترون در فضای مدار حرکت می‌کند و تولید جریان مینماید. در قطب کاتد اکسیژن با یون و الکترون واکنش نشان داده و تولید آب و حرارت مینماید.
O2(g) + 4H+ + 4e– → 2H2O(g)
این سلول به تنهائی ۰.۷ ولت نیروی محرکهٔ الکتریکی تولید می‌کند که برای روشنایی یک لامپ کوچک کافی می‌باشد. اگر این پیلها به صورت سری قرار گیرند قادر به تولید برق با توان چندین مگاوات می‌باشند.[۱]
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)
انواع پیل سوختی
پیلهای سوختی در انواع زیر موجود می‌باشند: پیلهای سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آن‌ها به پنج نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شوند.
- پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشاء مبادله‌کننده پروتون (PEMFC)
- پیل سوختی قلیایی (AFC)
- پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)
- پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
- پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
- پیل سوختی میکروبی (MFC)
- پیل سوختی اسید فرمیک (FFC)
- پیل سوختی هوا-روی (Zn-Air FC)
- پیل سوختی سرامیکی
لازم به ذکر است که پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC)۶ از خانواده پیل سوختی PEMFC است. پیلهای سوختی بر اساس دمای عملکرد، دارای دامنه دمایی از ۸۰ برای (PEMFC) تا ۱۰۰۰ برای (SOFC) می‌باشند. پیلهای سوختی دمای پایین (PEMFC ،PAFC ،AFC) دارای حامل‌های یونیH+ ویا OH- هستند که انتقال یون از میان الکترولیت و انتقال الکترون‌ها از طریق مدار خارجی را به عهده دارند، و در پیلهای سوختی دمای بالا مانند الکترولیت کربنات مذاب (MCFC) و الکترولیت اکسید جامد (SOFC)، جریان الکتریکی به ترتیب از طریق یون‌هایCO۳۲- و O۲- انتقال می‌یابد. در پیلهای سوختی اکسید جامد (SOFC) یا سرامیکی رسانش یون در الکترولیت معمولاً در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‌شود.
مزایا
مزایای پیلهای سوختی بطور کلی عبارت‌اند از: پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندان سوختهای فسیلی را حذف نموده و تنها محصول جانبی آن آب می‌باشد.
- در صورتی‌که هیدروژن مصرفی حاصل از الکترولیز آب باشد نشر گازهای گلخانه ای به صفر می‌رسد.
- به دلیل وابسته نبودن به سوختهای فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی اقتصادی کشورهای ناپایدار اقتصادی را حذف می‌کند.
- از سوختهای تجدید پذیر استفاده شده و عامل گرمایش زمین را حذف می‌کند.
- با نصب پیلهای سوختی نیروگاهی کوچک، شبکه غیرمتمرکز نیرو گسترده می‌گردد.
- پیلهای سوختی راندمان بالاتری نسبت به سوختهای فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارد.
- هیدروژن در هر مکانی از آب و برق تولید می‌گردد؛ لذا پتانسیل تولید سوخت، غیرمتمرکز خواهد شد.
- اکثر پیلهای سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی صدا هستند.
- انتقال گرما از پیلهای دما پایین بسیار کم می‌باشد لذا آن‌ها را برای کاربردهای نظامی مناسب خواهد شد.
- زمان عملکرد آن‌ها از باتریهای 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.
- سوختگیری مجدد پیلهای سوختی به راحتی امکان‌پذیر می‌باشد و هیچگونه اثرات حافظه‌ای بر جای نمی‌گذارد.
- بعلت عدم وجود اجزای متحرک نگهداری از آن‌ها بسیار ساده می‌باشد.
- نصب و بهره‌برداری از پیلهای سوختی بسیار ساده و مقرون به صرفه می‌باشد.
- پیلهای سوختی مدولار می‌باشند یعنی براحتی توان تولیدی از آن‌ها قابل افزایش می‌باشد.
- این مولدها قابلیت تولید هم‌زمان برق و حرارت را دارند.
- امکان استفاده از سوختهای تجدیدپذیر و سوختهای فسیلی پاک در آن‌ها وجود دارد.
- به میکروتوربین‌ها متصل می‌گردند.
- پیل سوختی به تغییر بار الکتریکی پاسخ می‌دهد.
- پیل سوختی امکان تولید برق مستقیم با کیفیت بالا را دارد.
- دانسیته نیروی بالا دارد.
- میزان بازدهی آن‌ها نسبت به سلول‌های دیگر بیشتر است.
معایب
- به مواد بیشتر و فرایندهای سریعتری نسبت به دیگر پیلها نیاز دارد.
- ممکن است در مدت طولانی کار، گرما مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی را موجب شود.
- 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
- حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایط نقلیه عمومی): چند نمونه اتوبوس هیدروژنی تولید شرکت بالارد از سال 2007 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 2016 و 2017 به بازار عرضه خواهند کرد.
- نیروگاه‌ها (نیروگاه‌های متمرکز و غیرمتمرکز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی):پیلهای سوختی به دلیل آرام و بی صدا بودن برای تولید برق محله‌ای گزینه خوبی محسوب می‌شود. به علاوه کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.
- وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و …)
- صنایع نظامی: پیلهای سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانک‌ها، زره‌پوش 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 می‌باشد.