قرن‌هاست که انسان‌ها با روش‌های مختلفی به دنبال یافتن راه‌هایی برای تولید انرژی هستند. انسان‌ها به انواع مختلف انرژی نیاز دارند، یکی از این انرژی‌ها که امروزه زندگی انسان بدون آن غیر ممکن است، انرژی الکتریکی است. در طی سال‌های گذشته روش‌های مختلفی توسط دانشمندان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده شده است. یکی از این روش‌ها استفاده از پیل‌های سوختی است. انرژی حاصل از پیل سوختی آلودگی بسیار کمی دارد و این روش تولید الکتریسیته برای ما انسان از اهمیت زیادی برخوردار است. در این مقاله شما را با اینکه پیل سوختی چیست، انواع آن کدامند و مزایا و معایب آن آشنا کنیم. با ما در سایت پیشگامان شیمی همراه باشید.
پیل سوختی چیست
پیل سوختی به دستگاهی گفته می‌شود که به وسیله‌ی یک واکنش شیمیایی قادر است انرژی شیمیایی سوخت را به برق تولید کند. تمامی پیل‌های سوختی دارای دو قطب الکتریکی (الکترود) هستند؛ این قطب‌ها با نام‌های کاتد و آند شناخته می‌شود. به عبارتی می‌توان گفت که واکنش شیمیایی در این الکترودها اتفاق می‌افتد و باعث تولید الکتریسیته می‌شود. در هر پیل سوختی علاوه برالکترودها، الکترولیت و کاتالیست نیز وجود دارد. وظیفه‌ی الکترولیت‌ها این است که ذرات باردار را جابه جا کنند. وظیفه‌ی کاتالیست‌ها نیز افزایش سرعت واکنش است.
هیدروژن سوخت اصلی که وارد پیل سوختی می‌شود؛ اما برای اینکه واکنش انجام شود به اکسیژن نیز نیاز است. یکی از بزرگترین مزایای پیل‌های سوختی این است که آلودگی کمی را ایجاد می‌کنند. بخش زیادی از اکسیژن و هیدروژنی که برای انجام واکنش وارد هر پیل سوختی می‌شود، به صورت آب از آن خارج می‌شود و به همین دلیل است که هر پیل سوختی آلودگی بسیار کمی تولید میکند. از آنجا که هر پیل سوختی مقدار بسیار کمی جریان برق تولید میکند، تعداد زیادی پیل در دسته‌های بزرگی که پشته یا استک (Stack) نامیده می‌شوند، برای تولید برق کنار هم قرار می‌گیرند. حال که دانستید پیل سوختی چیست بهتر است با نحوه‌ی کار این وسیله آشنا شوید.
پیل سوختی چگونه کار میکند
همانطور که پیشتر گفته شد هدف از ساخت پیل سوختی، تولید جریان برق است. جریان برقی که از این پیل‌ها خارج می‌شود برای موارد مختلفی نظیر روشن کردن یک لامپ یا به کار انداختن یک موتور الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. جریان برقی که در پیل سوختی ایجاد می‌شود به دلیل ماهیت عملکرد الکتریسیته، دوباره به پیل سوختی بازمی‌گردد تا یک مدار را کامل کند. در واقع می‌توان گفت که واکنش‌های شیمیایی هستند که جریان را تولید می‌کنند.
پیل سوختی انواع مختلفی دارد و عملکرد هر کدام از این پیل‌ها به دیگری مقداری متفاوت خواهد بود؛ اما به طور کلی می‌توان عملکرد پیل‌ها را اینگونه توصیف کرد که اتم هیدروژن به آند پیل وارد شده و در آن قسمت یونیزه می‌شود، در این حالت اتم هیدروژن دارای بار مثبت شده است. جریان الکترون‌های جدا شده از هیدروژن، جریان داخل سیم را شکل می‌دهد. در صورتیکه جریان متناوب (AC) باشد، جریان مستقیم خروجی از پیل وارد دستگاهی به نام اینورتر می‌شود تا به جریان متناول تبدیل شود.
در پیل‌های سوختی، اکسیژن به کاتد وارد می‌شود؛ بسته به اینکه نوع پیل سوختی چیست، اکسیژنی که وارد کاتد شده است در آنجا با الکترون‌هایی که از مدار بازمی‌گردند و یون‌های هیدروژن که از طریق الکترولیت از آند عبور کرده‌اند، واکنش می‌دهد. در برخی از انواع آن اکسیژن به همراه الکترون‌ها از الکترولیت گذشته و در آند با یون هیدروژن واکنش می‌دهد.
نقش الکترولیت در پیل سوختی این است که به یون‌های مشخصی اجازه عبور بین کاتد و آند را می‌دهد. اگر الکترون‌های آزاد بتوانند از الکترولیت عبور کنند، واکنش شیمیایی را دچار اختلال میکند؛ از این جهت نقش آن در پیل سوختی بسیار مهم است.
ترکیب هیدروژن و اکسیژن چه در آند اتفاق بیفتد چه در کاتد، حاصل آن آب خواهد بود و همانطور که گفته شد از پیل سوختی خارج می‌شود. تا زمانیکه ورودی اکسیژن و هیدروژن پیل تامین می‌شود، برق نیز تولید خواهد شد.
پیل سوختی و انواع آن
همانطور که پیشتر اشاره شد، پیل‌های سوختی انواع مختلفی دارند؛ اما انواع پیل سوختی چیست. در ادامه به معرفی برخی از انواع آن می‌پردازیم.
- پیل های سوختی قلیایی
- پیل های سوختی اسید فسفریک
- پیل های سوختی کربنات مذاب
- پیل های سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی قلیایی
یکی از انواع پیل‌های سوختی، پیل سوختی قلیایی است. در پیل‌های قلیایی محلول آبی هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گیرد. سوخت این پیل‌ها همیشه اکسیژن و هیدروژن است که به عنوان اکسید کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. الکترودهای این پیل‌ها از کربن و فلزی مانند نیکل ساخته می‌شوند. آب به صورت یک محصول این واکنش از پیل خارج می‌شوند. الکترولیت قلیایی قوی و داغ به اکثر پلاستیک‌ها حمله می‌کندو تمایل به نفوذ حمله میکند و تمایل به نفوذ به درزها و اتصالات ساختاری دارد.
پیل‌های سوختی اسید فسفریک
پیل‌های سوختی اسید فسفریک دارای الکترولیت اسید ارتوفسفریک هستند که امکان کار تا دمای 200 درجه سانتی‌گراد را فراهم میکند. در این پیل‌ها امکان استفاده از سوخت هیدروژن آلوده به دی اکسید کربن و اکسید کننده هوا یا اکسیژن وجود دارد. الکترودها از کربن کاتالیز شده تشکیل شده اند و به صورت جفت به هم چیده شده اند تا مدار تولید نسل را ایجاد کنند.
پیل‌های سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی کربنات مذاب شامل مخلوطی از هیدروژن و مونو اکسید کربن تولید شده از آب و سوخت فسیلی است. الکترولیت پیل سوختی کربنات مذاب، کربنات پتاسیم مذاب است که به دمای 650 درجه سانتی گراد نیاز دارد تا به دمای عملیاتی برسد. از آنجا که فرآیند گرم شدن تا عملیاتی شدن ممکن است چند ساعت طول بکشد، این پیل‌ها را برای استفاده در وسایل نقلیه نامناسب میکند.
پیل‌های سوختی اکسید جامد
این پیل‌ها از جهاتی به پیل‌های سوختی کربنات کذاب شباهت دارند. الکترولیت این پیل‌ها یک اکسید یون رسانا مانند زیرکونیا است که با ایتریا درمان می‌شود. سوخت این سلول‌های آزمایشی همانند سلول‌های کربنات مذاب، هیدروژن با مونوکسید کربن هستند.
مزایای پیل سوختی چیست
در این بخش می‌خواهیم بگوییم که مزایای پیل سوختی چیست. پیل سوختی مزایای مختلفی دارد که در این قسمت به برخی از آن‌ها اشاره خواهیم کرد:
- پیل سوختی به دلیل نوع واکنشی که می‌دهد خروجی آن آب است و این مسئله موجب می‌شود آلودگی کمی داشته باشد.
- پیل سوختی به صورت شیمیایی برق تولید میکند نه از راه احتراق، به همین دلیل محدودیت‌‌های قوانین ترمودینامیکی مانند محدودیت کارنو را ندارد و به همین علت پیل سوختی در استخراج انرژی از یک سوخت، بهینه‌تر و کارآمدتر عمل میکند.
- تلفات انرژی در پیل سوختی بسیار کم است و به همین دلیل به عنوان یک منبع انرژی برای نیازهای بحرانی مانند ژنراتور‌های اضطراری و لوازمی که به ذخیره طولانی مدت نیاز دارد، مفید است.
- فناوری که در پیل‌های سوختی به کار می‌رود برای انسان‌ها خطرات قابل توجهی ایجاد نمی‌کند.
معایب پیل سوختی چیست
هر وسیله‌ای که توسط بشر ساخته می‌شود در کنار مزایایی که دارد، ممکن است معایبی نیز داشته باشد؛ اما معایب پیل سوختی چیست؟
- از آنجا که خطوط تولید پیل سوختی هنوز وجود ندارد، هزینه تولید انبوه پیل‌های سوختی بسیار هنگفت است.
- این فناوری به اندازه کافی در جهان شناخته شده نیست.
- در صورتیکه از سوخت ناخالص در پیل استفاده شود، کار و گرمای بیش از حد می‌تواند موجب رسوب کربن و مسمومیت پیل شود.
- یکی از موانع استفاده از این پیل‌ها این است که ذخیره‌سازی و حمل و نقل هیدروژن مشکلات و خطرات زیادی دارد.
جمع‌بندی
در این مقاله سعی کردیم که شما را با این مفهوم که پیل سوختی چیست، آشنا کنیم. پیل سوختی دستگاهی است که انرژی شیمیایی را به برق تبدیل میکند. انواع پیل‌های سوختی در دنیا وجود دارد. پیل‌های سوختی مزایای مختلفی دارند که می‌توان به آلودگی کمی که ایجاد می‌کنند و همچنین بازدهی زیادی که دارند اشاره کرد اما هزینه‌ی تولید این پیل‌ها زیاد است و به همین دلیل دردنیا به صورت وسیع مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
