پیل سوختی و عملکرد آن

پیل سوختی و عملکرد آن

پیل سوختی یک وسیله­ الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی مورد استفاده (الکتریسیته و گرما) تبدیل می‌­کند. این وسیله با اکثر وسیله­‌های تولید کننده­ انرژی الکتریکی از جمله ژنراتورها متفاوت است. در ژنراتورها، انرژی شیمیایی موجود در سوخت ابتدا به انرژی گرمایی، سپس مکانیکی و در نهایت به انرژی الکتریکی تبدیل می­‌شود.

در دهه­ گذشته، پیل‌های سوختی به عنوان یکی از تکنولوژی­‌های رو به پیشرفت برای تأمین انرژی الکتریکی شناخته شده­‌اند. بازده پیل­‌های سوختی عموماً بین 40 تا 60 درصد است. هم­چنین عدم آلودگی صوتی و زیست­ محیطی استفاده از آن­را برای کاربردهای مسکونی مناسب می­‌سازد. این مزایا به علاوه‌ی مدولار بودن پیل­‌های سوختی، آن­‌ها را برای کاربردهای تولید پراکنده مناسب می‌­سازد. در جدول زیر مقایسه‌­ای بین منابع مختلف تولید پراکنده آورده شده است.

مقایسه منابع تولید پراکنده

 اصول عملکرد پیل سوختی برای اولین بار در سال 1838 توسط دانشمند سوئیسی کریستین فریدریش بیان شد. ویلیام گرو در سال 1839 اولین پیل سوختی را بر اساس الکترولیز آب طراحی کرد. در سال 1950 فرانسیس بیکن اولین پیل سوختی 5 کیلووات قلیایی را در دانشگاه کمبریج به نمایش گذاشت. در سال 1970، یک پیل سوختی قلیایی 12 کیلووات برای کاربرد در شاتل فضایی توسط ناسا مورد استفاده قرار گرفت. پاکیزگی، بازده بالا، و عدم نیاز به واحدهای ذخیره­ انرژی از مهم­ترین دلایل استفاده از آن­‌ها در فضا به شمار می­‌رفت. در اواسط دهه­ 60، تحقیقات گسترده برای ارائه­ انواع مختلف پیل­‌های سوختی برای کاربردهای مختلفی از جمله تولید نیروگاهی و حمل و نقل صورت گرفت.

در مسیر گسترش استفاده از پیل‌های سوختی، چالش‌ها و سختی‌های بسیاری وجود دارد که می‌تواند استفاده از پیل‌های سوختی را با مشکل مواجه کند. اولین چالش در مسیر گسترش استفاده از پیل‌های سوختی، هزینه بالای طراحی و ساخت پیل‌های سوختی است که امکان رقابت با سایر منابع تولید پراکنده را با مشکل مواجه می‌سازد. کاهش هزینه ساخت پیل سوختی با تولید انبوه آن و نیز کاهش ابعاد سیستم امکان‌پذیر می‌باشد.

پیل‌های سوختی همانند باتری‌ها، شامل الکترود و الکترولیت می‌باشند. باتری انرژی شیمیایی را در الکترولیت ذخیره می‌کند و آن را متناسب با نیاز مصرف کننده به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این فرآیند تا زمانی ادامه می‌یابد که انرژی شیمیایی باتری تمام شود. پس از پایان فرآیند، باتری عوض می‌شود. بر خلاف باتری، پیل سوختی انرژی شیمیایی را ذخیره نمی‌کند بلکه انرژی شیمیایی سوخت را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. بنابراین پیل سوختی عوض نمی‌شود و مادامی که سوخت آن تأمین شود به کار خود ادامه می‌دهد.

شکل زیر عناصر اصلی پیل سوختی را نشان می‌دهد. این عناصر شامل الکترود مثبت (آند)، الکترود منفی (کاتد) و الکترولیت می‌باشند. سوخت وارد قسمت آند می‌شود و عمل اکسیده شدن در کاتد صورت می‌گیرد. سوخت به صورت الکتروشیمیایی در سطح آند تجزیه می‌شود. یون‌ها از طریق الکترولیت بین آند و کاتد جابجا می‌شوند. الکترون‌های ایجاد شده در سطح آند از طریق یک مسیر الکتریکی به سمت کاتد می‌روند. این جریان باعث ایجاد اختلاف پتانسیل در خروجی پیل سوختی می‌شود. یک پیل سوختی هم به سوخت و هم به یک ماده اکسید کننده احتیاج دارد. هیدروژن به علت واکنش پذیری بالا و عدم احتیاج به کاتالیست‌های گران، اغلب به عنوان سوخت یک پیل سوختی در نظر گرفته می‌شود. هیدروکربن‌ها نیز می‌توانند به عنوان سوخت در نظر گرفته شوند اما اغلب لازم است تا به هیدروژن تبدیل شوند. عمل تبدیل هیدروکربن به هیدروژن در پیل‌های سوختی دما پایین قبل از ورود سوخت به پیل سوختی و در پیل‌های سوختی دما بالا در درون پیل سوختی انجام می‌گیرد. اکسیژن به دلیل فراوانی در جو به عنوان ماده اکسید کننده بکار می‌رود. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌شود، الکترولیت به عنوان هادی یون عمل می‌کند.

ساختار پیل سوختی

یک پیل سوختی به تنهایی معمولاً ولتاژ در حدود یک ولت در خروجی تولید می‌کند. بنابراین برای تولید ولتاژهای مناسب در خروجی، پیل‌های سوختی با هم ترکیب شده و تشکیل یک پشته پیل سوختی می‌دهند.  یک پشته پیل سوختی از تعداد زیادی پیل سوختی به صورت سری و موازی تشکیل شده است تا ولتاژ، جریان و توان مناسب در خروجی را تأمین کند. تعداد پیل‌های سوختی در یک پشته معمولاً بیش‌تر از 50 عدد می‌باشد. ساختار یک پشته پیل سوختی در شکل زیر آورده شده است.

پشته پیل سوختی

سفارش انجام پروژه و پایان نامه در زمینه مدلسازی، کنترل و شبیه سازی پیل سوختی بصورت مجزا و متصل به شبکه در میکروگرید و همچنین شبیه سازی سیستم‌ هیبرید پیل سوختی از طریق لینک‌های ارتباطی زیر قابل انجام است.

voltamoshaver@gmail.com

09374305423


مطالب مرتبط...

هیچ نظری تا کنون برای این مطلب ارسال نشده است، اولین نفر باشید...

ابزار وبمستر

ابزار وبمستر