• banner 240x80px
  • banner 240x80px
  • banner 240x80px

سلول های سوختی

سلول های سوختی چگونه کار می کنند؟

شما احتمالاً به تازگی چیزهای زیادی درباره سلولهای سوختی شنیده اید. بر اساس بسیاری از گزارشهای جدید، ممکن است به زودی از این فناوری(که با آن صرف جویی زیادی در انرژی می شود)،برای تولید برق لازم خانه ها و ماشینهایمان استفاده کنیم.


 این فناوری برای مردم در زمینه های مختلف زندگی بسیار جالب است چرا که راهکارهایی برای بازدهی بیشتر و آلودگی کمتر در استفاده از انرژی ارائه می دهد، ولی چگونه؟

در این مقاله نگاهی گذرا به فناوری های موجود و فناوری های در حال توسعه در این زمینه، می اندازیم. چگونگی کارکرد  یکی از رایجترین فناوری ها را به تفصیل توضیح خواهیم داد و در مورد کاربرد های بالقوه سلولهای سوختی نیز صحبت خواهیم کرد.

از نظر فنی، سلول سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی است. یک سلول سوختی، هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در این فرآیند الکتریسیته تولید می کند.

وسیله الکتروشیمیایی دیگری که همه ما با آن آشناییم، باتری است. یک باتری تمام مواد شیمیایی لازم را در خود ذخیره کرده و این مواد را به الکتریسیته تبدیل می کند. یعنی باتری بالاخره تمام می شود و شما یا آن را دور می اندازید و یا شارژ می کنید.

مواد شیمیایی ، به طور پیوسته در داخل سلول سوختی جریان دارند، بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی به سلول برقرار بوده و الکتریسیته به بیرون آن جریان داشته باشد، سلول سوختی  تمام نمی شود. مواد اولیه بیشتر سلولهای سوختی که امروزه استفاده می شوند هیدروژن و اکسیژن هستند.

سلول سوختی ، قابل رقابت با بسیاری از ابزارهای تبدیل انرژی دیگر است که شامل توربین گازی درون نیروگاه شهر شما، موتور بنزینی درون ماشینتان و باتری درون لپ تاپتان می شود. موتورهای احتراقی مانند توربین ها و موتورهای بنزینی ، سوخت ها را می سوزانند و از فشاری که با انبساط گازها بوجود آمده برای انجام کارهای مکانیکی استفاده می کنند. باتری ها نیز در مواقع لازم انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی بر می گردانند.

 سلولهای سوختی باید هردو عمل را بصورتی کارآمدتر انجام دهند.

سلول سوختی یک ولتاژ DC(direct current) فراهم می کند، که برای برق رسانی به موتورها ، چراغها یا هر تعداد وسیله برقی قابل استفاده و کافی است.

انواع مختلفی از سلول سوختی موجود است، که هرکدام از یک فرآیند شیمیایی متفاوت استفاده می کنند. سلولهای سوختی معمولاً بر حسب نوع الکترولیتی که در آنها استفاده می شود، دسته بندی می شوند. بعضی از سلولهای سوختی برای استفاده در نیروگاههای برقی هستند. بقیه، ممکن است برای کاربردهای سبک یا برقدهی ماشینها مناسب باشند.

سلول سوختی  تبادل پروتونی (PEMFC)  یکی از رایجترین  تکنولوژی ها در این زمینه  است.  این سلول  سوختی می تواند به طور  کامل برق ماشینها ، اتوبوسها  و شاید خانه هایتان را تأمین  نماید. PEMFC از  یکی  از ساده  ترین واکنشهای سلول  سوختی استفاده می کند.ابتدا به ساختار سلول سوختی     PEM (proton exchange membrane )نگاهی می اندازیم.

شکل1.اجزای یک سلول سوختی PEM

در شکل1 ملاحظه می فرمایی که 4 عنصر پایه ای در PEMFC وجود دارند.

  • آند، قطب منفی یک سلول سوختی، که چندین وظیفه دارد. الکترونهای کنده شده از مولکول هیدروژن را برای استفاده در یک مدار خارجی هدایت می کند. با مجراهای موجود در آن گاز هیدروژن آزاد شده را بر روی سطح کاتالیزگر پخش می کند.
  • کاتد ، قطب مثبت یک سلول سوختی که مجراهای موجود در آن اکسیژن را روی سطح کاتالیزگر پخش می کنند. همچنین الکترونها را از مدار خارجی به سمت کاتالیزگر هدایت می کند که در آنجا با اکسیژن و یونهای هیدروژن ترکیب شده و آب تشکیل می شود.
  • الکترولیت ، که غشا و پل تبادل پروتون است. این ماده با رفتاری خاص، که شبیه به یک صافب پلاستیکی معمولی موجود در آشپزخانه است، فقط یونهای در حال حرکت را از خود عبور می دهد. این غشا راه الکترونها را می بندد.
  • کاتالیزگر یک ماده مخصوص است که واکنش هیدروژن و اکسیژن را آسان می کند. که معمولاً از گرد پلاتین با ورقه ای بسیار نازک از کربن روی ان ساخته می شود. کاتالیزگر درشت و متخلخل (پرمنفذ) است تا بیشترین سطح ممکن در مجاورت هیدروژن یا اکسیژن قرار گیرد. قسمت پوشیده از پلاتین کاتالیزگر طرف PEM قرار می گیرد.

  

شکل2- انیمیشن یک سلول سوختی در حال کار

فرآیند شیمیایی یک سلول سوختی

 قطب آند:

2H2 à 4H+ + 4e-

قطب کاتد:

O2 + 4H+ 4e- à2H2O

واکنش کلی:

2H2 + O2 à2H2O

 

شکل 2 نشان می دهد که هیدروژن که قبلاً تنظیم فشار شده، از قطب آند وارد سلول سوختی می شود. فشار، این گاز را به سمت کاتالیزگر فشرده می کند. هنگامی که یک ملکول H2 در تماس پلاتین قرار گیرد، به دو یون H+ و دو الکترون (e) تجزیه می شود . الکترونها از طریق ۀند به مدار خارجی راه پیدا می کنند(که کار مفیدی همچون چرخاندن یک موتور انجام می دهد) و به قطب کاتد سلول سوختی باز می گردد.

در این بین، در قطب کاتد سلول سوختی گاز اکسیژن (O2) به سمت کاتالیزگر هدایت می شود، که در آنجا دو اتم اکسیژن تشکیل می شوند. هر کدام از این اتمها الکترونگاتیوی زیادی دارند. این الکترونگاتیوی دو یون H+ را جذب و از بین غشا عبور می دهد که در آنجا با اتم اکسیژن و دو الکترون از مدار خارجی ترکیب شده و ملکول آب (H2O) را تشکیل می دهند.

این واکنش در یک سلول سوختی فقط حدود 0.7 ولت تولید می کند. برای بالا بردن این ولتاژ تا یک حد منطقی، سلولهای سوختی جدا از هم زیادی باید با هم ترکیب شوند تا یک بسته سلول سوختی را تشکیل دهند.

PEMFC ها در دمای نسبتاً کمی کار می کنند(تقریباً در 176˚F معادل 80˚C ) بدین معنی که آنها سریع گرم می شوند اما سازه نگهدارنده گرانقیمتی نیاز ندارند. ارتقا و پیشرفت پیوسته در مهندسی و موادی که در این سلولها به کار می رود چگالی برقی را تا حدی بالا برده است که یک وسیله با اندازهای معادل یک چمدان کوچک می تواند برق یک ماشین را تأمین کند.

مشکلات سلول سوختی:

در قسمت آخر آموختیم که یک سلول سوختی از هیدروژن و اکسیژن برای تولید الکتریسیته استفاده می کند. اکسیژن مورد نیاز سلول سوختی از هوا تأمین می شود. در حقیقت، در سلولهای سوختی PEM ، هوای عادی به کاتد پمپ می شود. به هر حال هیدروژن نیز خیلی آماده و در دسترس نیست. هیدروژن یک سری محدودیت هایی داردکه آن را بیشتر برای مصارف ، غیر کاربردی می کند. مثلاً شما لوله کشی هیدروژن در خانه تان ندارید، و شما در پمپ بنزین محلی تان به پمپ هیدروژن دسترسی ندارید.

ذخیره و حمل هیدروژن دشوار است، بنابراین درست تر آن است که سلولهای سوختی، سوختهایی آماده و در دسترس را به کار برند. این مشکل توسط وسیله ای به نام مبدل برطرف شده است. مبدل یک سوخت هیدروکربنی یا الکلی را به هیدروژن، که سوخت سلول سوختی است، تبدیل می کند.

متأسفانه مبدلها کامل و بی نقص نیستند. آنها حرارت تولید می کنند و علاوه بر هیدروژن گازهای دیگری نیز تولید می کنند. آنها از وسیله های مختلف برای خالص سازی هیدروژن استفاده می کنند ، ولی با این وجود هیدروژنی که بیرون می دهند خالص نیست و این امر، بازده سلول سوختی را کاهش می دهد.

برخی از سوختهایی که بیشتر مورد توجه اند: گاز طبیعی، پروپان و متانول هستند. در حال حاضر بسیاری از مردم ، لوله کشی گاز طبیعی یا مخزن پروپان در خانه شان دارند. بنابراین محتمل ترین سوختها برای استفاده در سلولهای سوختی خانگی اینها هستند. متانول سوختی مایع با خواصی مشابه بنزین است. مانند آن براحتی قابل حمل و توزیع است، بنابراین متانول ممکن است گزینه خوبی برای تأمین سوخت ماشینی با سلول سوختی باشد. 

اهداف سلول سوختی:

کاهش آلودگی یکی از اهداف اصلی سلول سوختی است. با مقایسه ماشینی با سلول سوختی و ماشینی بنزینی و ماشینی با باتری، می توان دید که امروزه سلول سوختی چگونه می تواند بازده ماشینها را افزایش دهد.

از آنجایی که هر سه نوع ماشین اجزای مشابه بسیاری(تایرها، جعبه دنده، …) دارند؛ ما با آن اجزای ماشین کاری نداریم و بازده ها را تا جایی که انرژی مکانیکی تولید شود، مقایسه می کنیم. با ماشینی که با سلول سوختی کار می کند شروع می کنیم.(توجه کنید که همه این بازده ها تخمینی اند ولی آنقدر به مقدار واقعی نزدیک هستند که یک مقایسه درست داشته باشیم.)

اگر سلول سوختی با هیدروژن خالص سوخت دهی شود پتانسیل بازده 80 درصد را نیز دارد. یعنی 80 درصد گنجایش انرژی هیدروژن را به انرژی الکتریکی بازگرداند. اما همانطور که در قسمت قبل آموختیم، ذخیره کردن هیدروژن دشوار است. وقتی یک مبدل را به آن اضافه می کنیم تا متانول را به هیدروژن بازگرداند، بازده کلی 30 تا 40 درصد می شود.

ما هنوز نیاز داریم که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل کنیم. این کار بوسیله یک موتور الکتریکی تمام می شود. بازده منطقی که برای موتور در نظر گرفته می شود حدود 80 درصد است. بنابراین ما 30 تا 40 درصد بازده تبدیل متانول به الکتریسیته و 80 درصد بازده تبدیل الکتریسیته به انرژی مکانیکی داریم که به ما بازده کلی حدود 24 تا 32 درصد می دهد. 

انرژی باتری و بنزین:

بازده یک ماشین بنزینی به طور حیرت آوری کم است. همه گرمایی که از اگزوز بیرون می آید یا بدرون رادیاتور می رود، انرژی تلف شده است. موتور نیز انرژی زیادی را برای گرداندن پمپهای گوناگون، فنها و ژنراتورهایی که حرکت آنرا حفظ می کنند، مصرف می کند. بنابراین بازده کلی یک خودرو با موتور بنزینی حدود 20 درصد است. یعنی فقط 20 درصد از انرژی گرمایی موجود در بنزین تبدیل به کار (انرژی) مکانیکی می شود.

یک ماشین الکتریکی با باتری، بازده بالا و خوبی دارد. بازده باتری حدود 90 درصد است(اکثر باتریها کمی گرما تولید می کنند یا نیاز به گرم شدن دارند.) و یک موتور الکتریکی حدود 80 درصد بازده دارد، که بازده کلی حدود 72 درصد به ما می دهد.

ولی این تمام داستان نیست. الکتریسیته که برای برقرسانی به ماشین استفاده می شود، جایی باید تولید شود. اگر در یک نیروگاه حرارتی با فرآیندی مثل فرآیند هسته ای یا نیروگاههای برق آبی، خورشیدی یا بادی تولید شود، آنوقت فقط 40 درصد از سوخت مصرفی نیروگاه، به الکتریسیته تبدیل می شود. فرآیند شارژ کردن ماشین احتیاج به تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) دارد. این فرآیند بازده ای در حدود 90 درصد دارد.

بنابراین، اگر به کل چرخه بنگریم، بازده یک ماشین الکتریکی حدود 72 درصد برای ماشین، 40 درصد برای نیروگاه برق و 90 درصد برای شارژ ماشین است. که به ما بازده کلی حدود 26 درصد می دهد. بازده کلی بسته به اینکه از چه نوع نیروگاهی برای تولید برق استفاده می شود متفاوت است. مثلاً اگر الکتریسیته مورد نیاز ماشین توسط یک نیروگاه برق- آبی تأمین شود، هیچ هزینه ای نخواهد داشت (ما هیچ سوختی برای تولیدش نمی سوزانیم) ، و بازده ماشین برقی حدود 65 درصد می شود.

شاید شما از اینکه این سه فناوری چقدر به هم نزدیکند غافلگیر شده باشید. این امتحانها اهمیت در نظر گرفتن کل سیستم ، نه فقط خودرو را نشان می دهند. حتی می توان پا را فراتر از این گذاشته و بپرسیم که بازده تولید بنزین، متانول یا ذغال سنگ چقدر است.

در هر صورت، بازده تنها عامل مورد توجه نیست. مردم فقط به خاطر اینکه ماشینی بیشترین بازده را دارد، با آن رانندگی نمی کنند. آنها عاملهای بسیار دیگری را نیز مورد توجه قرار می دهند. آنها می خواهند بدانند که:

  • آیا ماشین مورد نظرشان براحتی سوخت گیری می شود؟
  • آیا مسافت خوبی را بدون سوخت گیری مجدد می تواند طی کند؟
  • آیا می تواند به سرعت ماشینهای دیگر در جاده برسد؟
  • چقدر آلودگی تولید می کند؟

این لیست، البته ادامه دارد. در آخر فناوریی پیروز می شود که بین بازده و عملکرد، اعتدال ایجاد کند.

چندین فناوری دیگر برای سلولهای سوختی وجود دارد که برای مصارف تجاری در حال توسعه می باشند:

  • سلول سوختی قلیایی (AFC) : این یکی از قدیمی ترین طرح ها است. این سلول سوختی در برنامه فضایی ایالات متحده ، از دهه 1960 مورد استفاده قرار گرفته است. AFC بسیار مستعد تولید آلودگی است، بنابراین به هیدروژن و اکسیژن خالص نیاز دارد، همچنین بسیار گران است، بنابراین این نوع سلول سوختی برای مصارف تجاری مناسب نیست.

  • سلول سوختی اسید فسفریک (PAFC) : سلول سوختی اسید فسفریک پتانسیل استفاده در سیستم های نیروگاههای کوچک تولید برق را دارد. در دمای بالاتری نسبت به سلولهای سوختی PEM کار می کند، بنابراین زمان بیشتری طول می کشد تا گرم شود. این خاصیت آن را برای استفاده در خودروها نامناسب می کند.

  • سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) : این نوع سلولهای سوختی برای نیروگاههای تولید برق در مقیاس بزرگ مناسبترین نوع هستند که می توانند برق کارخانه ها یا شهرهای کوچک را تأمین نمایند. این نوع سلولهای سوختی در دمای بسیار بالا (در حدود 1832F، 1000C ) کار می کنند. این دمای بالا، درجه اطمینان را پایین می آورد، اما همچنان سودمند است. بخار آبی که توسط سلول سوختی ایجاد شده است می تواند به توربینها هدایت شود تا الکتریسیته بیشتری تولید شود. این امر بازده  کلی سیستم را بهبود می بخشد.

  • سلول سوختی کربنات مذاب (MCFC) : این سلولهای سوختی نیز برای تولید نیروگاههای برق بزرگ بسیار مناسب هستند. در دمای 1112F (600C) کار می کنند، بنابراین آنها نیز بخار آب تولید می کنند که می تواند برای تولید برق بیشتر استفاده شود. این سلولهای سوختی در دمای کمتری نسبت به SOFC ها کار می کنند؛ یعنی آنها نیازی به مواد و ابزار پیچیده ندارند، که این امر، طرح را کمی ارزانتر می کند.همانطور که بحث شد، سلولهای سوختی در شماری کاربردها می توانند مورد استفاده قرار گیرند. هر کاربرد پیشنهادی موضوعات و بحث و جدالهای خود را دارد. نگاهی به این کاربردهای مختلف می اندازیم . با اتومبیل شروع می کنیم:

ماشینهایی با سلول سوختی در آینده ای نزدیک به تدریج جایگزین ماشینهای بنزینی  و دیزلی خواهند شد. ماشینی با سلول سوختی بسیار شبیه ماشین الکتریکی خواهد بود ، ولی با یک سلول سوختی و مبدل به جای باتری ها. به احتمال زیاد ، شما باک ماشین سلول سوختی خود را با متانول پرخواهید نمود؛ اما برخی شرکتها روی مبدلهای گازوئیلی کار می کنند. شرکتهای دیگر امید دارند تا مبدل را - با طراحی ابزار پیشرفته برای ذخیره سازی هیدروژن – به طور کامل کنار بگذارند.

سلولهای سوختی همچنین برای استفاده در لوازم الکتریکی قابل حمل، لپ تاپ ها، تلفنهای همراه و حتی سمعک ها مناسب به نظر می رسند. در این کاربردها، سلول سوختی عمری بسیار طولانی تر از باتری خواهد داشت، و شما همچنین قادر خواهید بود که آنها را سریعاً با یک سوخت مایع یا گازی شارژ کنید.

 اتوبوسهایی که با سلول سوختی کار می کنند در حال حاضر در چند شهر وارد سیستم حمل و نقل عمومی شده اند. اتوبوس یکی از اولین کاربردهای سلول سوختی بود چرا که در آغاز، سلولهای سوختی برای تولید برق کافی برای براه انداختن یک وسیله نقلیه باید بزرگ می بودند. حدود یک سوم اولین اتوبوسی که با سلول سوختی کار می کرد با خود سلول سوختی و تجهیزاتش اشغال شده بود. هم اکنون چگالی توان آنقدر افزایش یافته که یک اتوبوس با یک سلول سوختی بسیار کوچک حرکت کند.

برای اطلاعات بیشتر در زمینه اتوبوسهایی که با سلول سوختی کار می کنند لینک   MSNBC: Getting on board the fuel-cell bus را ملاحظه بفرمایید.

تولید برق خانگی یک کاربرد محتمل سلول سوختی است که هم اکنون در بعضی مناطق موجود است. جنرال الکتریک یک سیستم ژنراتور سوختی را معرفی می کند که توسط پلاگ پاور (Plug Power company) ساخته شده است. این سیستم با استفاده از یک مبدل گاز طبیعی یا پروپان تا 7 کیلووات توان تولید می کند (که برای بیشتر خانه ها کافی است). سیستمی شبیه به این، الکتریسیته و مقدار قابل ملاحظه ای گرما تولید می کند، بنابراین این امکان وجود دارد که این سیستم آب خانه شما را گرم کند و کمکی برای گرم کردن خانه بدون مصرف انرژی اضافی باشد.

برای اطلاعات بیشتر در زمینه تولید برق خانگی با سلول سوختی لینکهای زیر را ملاحظه بفرمایید: 

•  plug power

•  General Electric

•  IdaTech

برخی از فناوری های سلولهای سوختی قابلیت این را دارند که جایگزین نیروگاههای احتراقی شوند. سلولهای سوختی بزرگ توانایی این را خواهند داشت که الکتریسیته را با بازده بیشتری نسبت به نیروگاههای فعلی تولید کنند. فناوری های در حال توسعه سلولهای سوختی برای این نیروگاهها، الکتریسیته را مستقیماً از هیدروژن (درون سلول سوختی) تولید خواهند کرد. همچنین از گرما و آبی که در سلول تولید شده برای چرخاندن توربینهای گازی ، استفاده کرده و در نتیجه حتی الکتریسیته بیشتری نیز تولید خواهند کرد.

هم اکنون سلولهای سوختی بزرگ و قابل حملی برای تأمین برق اضطراری و پشتیبانی بیمارستانها و کارخانجات موجود هستند.

برای اطلاعات بیشتر درباره  تولید برق توسط سلولهای سوختی بزرگ به IdaTech مراجعه بفرمایید.

www.parsikhodro.com



برچسب ها : سلول های سوختی
» نصب فرمان هیدرولیک روی پراید در دانشگاه شریف ( چهارشنبه ٩ تیر ۱٤٠٠ )
» دوره ی آموزشی کاربردی برق و انژکتور مگان ( سه‌شنبه ٢۳ مهر ۱۳٩٢ )
» دوره ی آموزشی کاربردی برق و انژکتور ال 90 ( دوشنبه ۱٥ مهر ۱۳٩٢ )
» دوره های آموزشی ( یکشنبه ٢۳ تیر ۱۳٩٢ )
» sdsd ( یکشنبه ٢ تیر ۱۳٩٢ )
» مطالب موجود ( جمعه ٢۳ امرداد ۱۳۸۸ )
» چند مقاله خوب ( پنجشنبه ٢٢ امرداد ۱۳۸۸ )
» چهارشنبه ۱٦ بهمن ۱۳۸٧ ( چهارشنبه ۱٦ بهمن ۱۳۸٧ )
» سلول های سوختی ( چهارشنبه ۱۳ شهریور ۱۳۸٧ )
» استرلینگ ( پنجشنبه ٢٩ فروردین ۱۳۸٧ )