در واکنشهای پیل سوختی، سوخت مستقیماً با اکسیدان واکنش نشان نمی دهد، بلکه الکترونهای خود را به آند می رساند. سپس الکترونها به سمت کاتد جریان می یابند که توسط واکنش دیگر( معمولاً اکسیژن اتمسفر)، جذب می شوند. با این کار می توان واکنش را با راندمان جریان بالا کنترل کرد. در سیستمهای فنی، پیلهای سوختی برای دستیابی به ولتاژ الکتریکی بالاتر و پاسخگویی به تقاضا، به پشته ها جفت می شوند.
در این مطلب موضوعات زیر را مطالعه خواهید کرد:
پیل سوختی چیست؟
واکنشهای پیل سوختی از طریق واکنشهای شیمیایی که شامل انتقال الکترونها می شوند، الکتریسیته تولید می کنند. پیلهای سوختی سالهاست که وجود داشته اند و در دهه 1960 به طور گسترده ای در برنامه های فضایی مورد استفاده قرار گرفتند. این دستگاه ها نشان دهنده نسل جدید سیستمهای انرژی با راندمان بالا و سازگار با محیط زیست هستند. پیلهای سوختی دستگاه هایی هستند که از طریق واکنشهای ردوکس الکتروشیمیایی، نه احتراق، الکتریسیته تولید می کنند. پیلهای سوختی در طی واکنش الکتروشیمیایی که بین آنها اتفاق می افتد، الکتریسیته و گرما (اکسیژن و هیدروژن برای تشکیل آب) تولید می کنند. فناوری پیل سوختی روشی امیدوارکننده برای تامین انرژی برای مناطق روستایی که در آن دسترسی به شبکه عمومی وجود ندارد و یا هزینه سیم کشی و انتقال برق زیاد است. پیلهای سوختی اساساً سیستمهای ترمودینامیکی باز هستند. آنها بر اساس واکنشهای الکتروشیمیایی عمل و واکنش دهنده از یک منبع خارجی استفاده می کنند. آنها جایگزینهای مطلوبی برای روشهای تولید برق معمولی در مقیاسهای کوچک هستند.
کاربرد پیلهای سوختی
واکنشهای پیل سوختی هیدروژن و هیدروکربن حاوی مقدار قابل توجهی انرژی شیمیایی در مقایسه با مواد باتری معمولی هستند. فناوری پیل سوختی جایگزینی امیدوارکننده برای سوختهای فسیلی است. کاربردهای پیلهای سوختی فراوان هستند و ثابت کردند که در بسیاری از کاربردها مفید هستند، زیرا انرژی جهانی به منابع پایدارتر منتقل می شود. پیلهای سوختی، در سراسر زنجیره ارزش، به طور فزاینده ای به عنوان یک فناوری حیاتی برای سبز کردن زنجیره تامین انرژی دیده می شوند. وزارت انرژی ایالات متحده خاطرنشان می کند که پیلهای سوختی نسبت به موتورهای احتراق انرژی کارآمدتر هستند و آنها را به یک جزء کلیدی انتقال انرژی تبدیل می کند. پیلهای سوختی عموماً در سطح دسی بل صدای بسیار پایین تری نسبت به ژنراتورهای برق معمولی کار می کنند و همچنین مزایای پیلهای سوختی را بیشتر روشن می کند.
پیلهای سوختی PEM می توانند جابجایی مواد را در انبارها، مراکز توزیع و تاسیسات تولیدی در حوزه کاربردهای پیل سوختی تحرک الکترونیکی تقویت کنند. یکی دیگر از کاربردهای پیل سوختی نوظهور، تحرک الکترونیکی، توانمندسازی ناوگان تحویل، ناوگان فرودگاهی، حمل و نقل در مسافتهای طولانی، عملیات بندری و حفظ پتانسیل برای پیشبرد عملیات دریایی است. واکنشهای پیل سوختی ثابت می توانند انرژی پشتیبان را به شیوه ای سبز و سازگارتر با آب و هوا در سایتهایی مانند کابلهای مخابراتی، راه آهن، ریزشبکه ها، مراکز داده (تا رسیدن به برق در مقیاس شهری) فراهم کنند. پیلهای سوختی به طور خاص برای به حرکت درآوردن تجهیزات جابجایی مواد طراحی و بهینه سازی شده اند. واکنشهای پیل سوختی در صنایع لجستیک انبار، صنایع خودرو و هوافضا، قایقها و زیردریاییها و در صنایع تولید برق پشتیبان کاربرد دارند.
نحوه کارکرد پیل سوختی
واکنشهای پیل سوختی شبیه باتری هستند و تا زمانی که سوخت در دسترس باشد یک واکنش الکتروشیمیایی رخ می دهد. هیدروژن در یک ظرف تحت فشار ذخیره و اکسیژن از هوا گرفته می شود. به دلیل عدم احتراق، هیچ انتشار مضری وجود ندارد و تنها محصول جانبی آب خالص است. آب ساطع شده از پیل سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) به قدری خالص است که به بازدیدکنندگان سیستم برق بالارد ونکوور(Vancouver’s Ballard) چای داغ تهیه شده از این آب تمیز سرو می شود. آند هیدروژن را دریافت و کاتد اکسیژن را جمع آوری می کند. اکسیژن یونیزه می شود و از طریق الکترولیت به محفظه آندی می رود، جایی که با هیدروژن ترکیب می شود. یک پیل سوختی تنها 0.6-0.8V تحت بار تولید می کند.
مزایای پیل سوختی
از مزایای واکنشهای پیل سوختی می توان به موارد زیر اشاره کرد.
کارایی: پیلهای سوختی بسیار کارآمد هستند، به این معنی که سوخت را با ضایعات بسیار کمی به الکتریسیته تبدیل می کنند.
انرژی پاک: پیلهای سوختی از طریق واکنش شیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن الکتریسیته تولید می کنند، به این معنی که آنها فقط آب و گرما را به عنوان محصولات جانبی ساطع می کنند.
تطبیق پذیری: واکنشهای پیل سوختی را می توان در کاربردهای مختلفی استفاده کرد، که شامل برق رسانی به وسایل الکترونیکی کوچک و تولید برق برای ساختمانهای بزرگ یا حتی کل شهرها می باشد.
قابلیت اطمینان: پیلهای سوختی بسیار قابل اعتماد هستند زیرا فاقد قطعات متحرک هستند و این بدان معناست که احتمال خرابی مکانیکی کمتر است.
معایب پیل سوختی
از معایب واکنشهای پیل سوختی می توان به قیمت بالا، زیرساخت اختصاصی، عدم کارایی در منابع تجدیدپذیر، دوام و طول عمر پایین، مشکلات وهزینه های استخراج هیدروژن، قابلیت اشتعال بسیار بالا و آمورش عمومی اشاره کرد.
سوالات متداول واکنشهای پیل سوختی
1- یک پیل سوختی چه تفاوتی با روشهای سنتی تولید انرژی دارد؟
برخلاف ژنراتورهای احتراق داخلی، واکنشهای پیل سوختی انرژی شیمیایی را مستقیماً بدون تبدیل میانی به نیروی مکانیکی به الکتریسیته تبدیل می کنند. این امر از احتراق و تولید دی اکسید کربن جلوگیری می کند.
2- پیل سوختی چه تفاوتی با باتری دارد؟
برخلاف باتری، واکنشهای پیل سوختی انرژی را ذخیره نمی کنند. در عوض، انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می کنند (مثل یک موتور) و تا زمانی که سوخت به آن تغذیه شود به کار خود ادامه می دهد.
3- پیل سوختی قلیایی چیست؟
واکنشهای پیل سوختی پیشرفته ترین فناوری پیل سوختی با بازدهی حدود 70 درصد هستند. این سلول با نام پیل سوختی بیکن نیز شناخته می شود. این پیل سوختی از هیدروژن و اکسیژن برای تولید آب آشامیدنی، گرما و برق استفاده می کند.
4- مقاومت انتقال بار پیل سوختی چیست؟
واکنشهای پیل سوختی الکترونهایی تولید می کنند که به آنها “انتقال بار” می گویند. انتقال بار عبارت است از حرکت الکترونها (یا بارها) از الکترود به بار یا جایی که از آنها استفاده می شود. دشواری در حمل و نقل این بارها مقاومت انتقال بار پیل سوختی نامیده می شود.
5- پیلهای سوختی چگونه مفید هستند؟
واکنشهای پیل سوختی کارآمدترین دستگاه ها برای استخراج نیرو از سوخت هستند. سلولهای سوختی که قادر به کار بر روی انواع سوخت از جمله هیدروژن، گاز طبیعی و بیوگاز هستند، می توانند قدرت پاکی را برای کاربردهای مختلف از کمتر از یک وات تا چندین مگاوات فراهم کنند.
