پیل سوختی چیست و چگونه کار می کند؟

تمدن بشری با پیشرفت خود نیاز به انرژی را بیش از هر چیزی افزایش داد. یکی از حیاتی‌ترین انرژی‌های مورد نیاز، انرژی الکتریکی است. منزل خود را در زمان قطعی برق تصور کنید. تقریبا تمام کارهایی که به صورت روزمره انجام می‌دهیم وابسته به وجود برق می‌باشد. راه‌های مرسوم تولید انرژی دوست‌دار محیط زیست نیستند و از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌کنند. وضع امروز آلودگی‌ها در کنار کمبود منابع تجدیدناپذیر، بشر را به فکر راه‌های تازه‌ی تولید انرژی الکتریکی انداخته است. یکی از این راه‌های جایگزین، «پیل سوختی» می‌باشد.

درباره منابع انرژی بیشتر بدانید.

پیل سوختی برق را در نتیجه‌ی یک واکنش شیمیایی تولید می‌نماید. هیدروژن سوخت این دستگاه است و به آند وارد می‌شود. پس از دست دادن الکترون، یون مثبت هیدروژن به همراه الکترون‌های آزاد شده به سمت کاتد حرکت می‌نمایند. در کاتد اکسیژن وجود دارد. نتیجه‌ی رسیدن یون‌ها به کاتد و انجام واکنش شیمیایی، تولید الکتریسیته و آب می‌باشد.

در واقع این دستگاه به جای دود، آب تولید می‌کند! پیل سوختی در حال حاضر به عنوان سبز‌ترین راه تولید الکتریسیته شناخته می‌شود. در عوض میزان الکتریسیته‌ی تولید شده توسط هر واحد پیل ناچیز می‌باشد. برای همین، معمولا پیل سوخت در واحد‌های پشته‌ای (چندین دستگاه در کنار هم)استفاده می‌گردد.

پیشینه

اولین حرکت ثبت شده در این زمینه به سال ۱۸۳۸ میلادی برمی‌گردد. جایی که فیزیکدان ولزی «ویلیام گرو»، با انتشار مقاله‌ای در «جورنال علمی-فلسفی لندن و ادینبورگ»، مدعی شد «سلول سوختی» اولیه‌ای را توسعه داده است. او در این مدل از ورقه‌ی آهن، مس و ظروف چینی استفاده کرده بود. برای واکنش‌ها نیز از اسید رقیق و سولفات مس استفاده شده بود.

یک سال بعد، «کریستین شوباین»، که دوست و مسوول نامه‌نگاری گرو بود، پیشنهاد استفاده از اکسیژن و هیدروژن و حل شدن در آب را داد. کمک‌های شوباین باعث شد تا گرو، اولین پیل سوختی به شکل امروزی را طراحی نماید. این نمونه‌ی پیشنهادی تا حدود زیادی به پیل‌های امروزی شباهت داشت. در نهایت این «فردریش ویلهم استوالد» بود که پیل‌ سوختی امروزی را، با تمام اجزایش، تشریح نمود.

اجزا و شیوه‌ی کار پیل سوختی

ساختمان پیل سوختی از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود؛ شامل دو الکترود (آند و کاتد) و یک الکترولیت. پیش‌تر اشاره شد که هیدروژن به عنوان سوخت این دستگاه در نظر گرفته می‌شود. عملیات با ورود هیدروژن به آند آغاز شده و با رسیدن الکتریسیته به وسیله‌ی برقی مورد نظر پایان می‌پذیرد. مطابق شکل، در هر الکترود یک کاتالیزور واکنش شیمیایی را تسریع می‌کند. این الکترود‌ها در یک مدار خارجی جاری شده و نهایتا چراغ را روشن می‌کنند.

پس از ورود هیدروژن به آند و اکسایش آن، الکترولیت موظف است تا به یون‌های خاصی اجازه‌ی عبور بدهد. کاتد نیز از هوا اکسیژن خود را دریافت کرده و منتظر دریافت یون‌های هیدروژن می‌نشیند. الکترون‌هایی که در اثر اکسایش از هیدروژن جدا شدند، در مدار خارجی حرکت کرده و لامپ مورد نظر را روشن می‌نمایند. سپس این الکترون‌ها نیز به کاتد رسیده و با یون‌های هیدروژن و ذرات اکسیژن، خروجی سیستم (آب)را تشکیل می‌دهند.

یکی از امتیازات پیل سوختی، تولید الکتریسیته بدون احتراق است. احتراق باعث می‌شود تا محدودیت‌های مربوط به قوانین ترمودینامیکی بر سیستم اعمال شود. بنابراین اتلاف انرژی در این سیستم کمتر بوده و بهینه‌گی بیشتر است. با همه‌ی این امتیازات، چالش‌های مربوط به انتخاب اجزا و خصوصا الکترولیت باعث می‌شود ساخت پیل سوختی کار ساده‌ای نباشد. همین مسئله باعث شده در حال حاضر، این سیستم، یارای رقابت با روش‌های سنتی تولید الکتریسیته را نداشته باشد.

بعضی از انواع پیل سوختی نیازمند قطعه‌ای اضافه به نام رفورمر (Reformer) می‌باشند. کار این قطعه تبدیل هیدروژن به هیدروژن خالص است. الکترولیت (که با نام غشاء تبادل پروتون نیز شناخته می‌شود)نیز در دو نوع مایع و جامد استفاده می‌گردد.

انواع پیل سوختی

پیل سوختی قلیایی (آلکالی)

اولین پیل سوختی با الکترولیتی متشکل از سولفوریک اسید توسط گرو ساخته شد. «فرانسیس بیکن» در سال ۱۹۳۰ در نتیجه‌ی آزمایشات خود، پتاسیم هیدروکسید را به عنوان جایگزین اسید سولفوریک معرفی نمود. مزیت استفاده از قلیا، خورنده نبودن آن است.

 هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت قرار دارد. سوخت این نوع از پیل سوختی شامل اکسیژن و هیدروژن فشرده می‌شود. دمای لازم برای کارایی این دستگاه بین ۱۵۰ تا ۳۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد بوده و توان خروجی آن در طیف ۳۰۰وات تا ۵کیلو وات قرار می‌گیرد. این دستگاه به علت گران‌قیمت بودن قطعات (الکترود پلاتینی)و دمای کاری بالا مناسب استفاده‌های شخصی نیست. از پیل سوختی آلکالی در فضاپیماها برای تولید همزمان برق و آب لازم استفاده می‌شود. سوخت مورد نیاز آن نیز هیدروژن خالص است.

در شکل مشاهده می‌کنید که جهت حرکت یون‌ها در این نوع، از کاتد به آند بوده و ساختار آن با ساختار کلی پیل سوختی تفاوت‌های جزیی دارد.

پیل سوختی کربنات مذاب

دمای کاری این دستگاه به شدت بالا بوده (۶۰۰ درجه سلسیوس)و به هیچ‌وجه مناسب استفاده‌ی خانگی نمی‌باشد. اما همین گرما می‌تواند به الکتریسیته‌ی بیشتر تبدیل شود. ظرفیت بالای تولید الکتریسیته این نوع از پیل سوختی را بسیار خاص می‌کند. ظرفیت بین ۲تا ۱۰۰ مگاواتی از یونیت‌های پیل سوختی کربنات مذاب تولید شده است.

کربنات مذاب، نوعی بهینه از پیل سوختی بوده و بازده آن بین ۶۰ تا ۸۰ درصد است. جنس الکترود‌ها نیز از نیکل بوده که نسبت به پلاتین ارزان‌تر می‌باشد. مطابق شکل، در این  مدل نیز یون‌ها از کاتد به سمت آند حرکت می‌کنند. تفاوت دیگر وجود کربن‌دی‌اکسید در زمره‌ی ورودی‌های پیل سوختی می‌باشد. اکسیژن با کربن‌دی‌اکسید، یون کربن‌تری‌اکسید را در الکترولیت جاری کرده این یون پس از رسیدن به آند با کاهش خود برق تولید می‌نماید.

پیل سوختی اسید فسفریک

این پیل سوختی اسیدی بوده و اسید فسفریک به‌عنوان الکترولیت در آن ایفای نقش می‌نماید. جنس الکترود‌ها باز‌هم از نیکل است. جهت ساخت این مدل باید دقت داشت که قطعات همگی نسبت به اسید مقاوم باشند. توان موجود از این دستگاه ۲۰۰ کیلووات است اما در آزمایشگاه ۱۱مگاوات نیز امتحان شده است.

بازده پیل سوختی اسید فسفریک متوسط و بین ۴۰ تا ۶۰ درصد می‌باشد. حساسیت این نوع برای سوخت نسبت به مدل‌های دیگر کمتر است اما باید دقت داشت که ناخالصی آن از حدی بیشتر نشود. ساختار کاری این مدل مثل پیل سوختی‌های مرسوم، شامل حرکت یون‌های هیدروژن به سمت کاتد می‌باشد. هیدروژن در آند اکسایش یافته و در کاتد کاهش می‌یابد. در نتیجه‌ی این اتفاق الکتریسیته در مدار جاری خواهد شد.

پیل سوختی غشاء تبادل پروتون

الکترولیت آن پلیمری بوده و بازدهی بین ۴۰ تا ۵۰ درصد دارد. مناسب‌ترین مدل برای استفاده‌های خانگی، پیل سوختی با غشاء تبادل پروتون است؛ اما باید دقت داشت که سوخت این دستگاه نیازمند خلوص بالایی خواهد بود. یک ورقه‌ی پلیمری نفوذپذیر که ترک نمی‌خورد، غشاء تبادل پروتون یا همان الکترولیت را تشکیل می‌دهد.

هزینه‌ی ساخت این نوع پیل سوختی با توجه به نیاز آن به الکترود پلاتینی، نسبتا بالاست. الکترولیت در این مدل جامد بوده و همین عامل باعث صفر بودن احتمال نشتی می‌باشد.دمای کاری پیل سوختی غشاء پروتون ۸۰ درجه است. توان آن در طیف ۵۰ تا ۲۵۰ کیلووات قرار می‌گیرد.

پیل سوختی اکسید جامد

این پیل در دمای ۱۰۰۰ درجه کاربری دارد؛ برای همین استفاده از آن در هرجایی ممکن نیست. نکته‌ی دیگر مربوط به این دمای کاری بالا، استفاده از اتلاف حرارت برای تولید الکتریسیته‌ی بیشتر می‌باشد. همچنین دیگر نیاز نیست سوخت را خالص کنیم. الکترولیت این نوع پیل از اکسید فلز تشکیل می‌شود. توان این پیل‌ها در حال حاضر تا ۱۰۰کیلووات و بازده آن‌ها در حدود ۶۰ درصد مشاهده شده است.

پیل سوختی میکروبی

ساختاری کاملا متفاوت با دیگر پیل‌ها دارد. باید توجه داشت که مهم‌ترین نکته برای کارایی آن، تغذیه‌ی باکتری‌هاست. این باکتری‌ها سوخت را (شامل مواد ارگانیک)تجزیه کرده و در نتیجه‌ی این عملیات برق تولید می‌کنند.

 

پیل سوختی در مقیاس کلان

بر کسی پوشیده نیست که روش‌های فعلی تولید انرژی الکتریکی، دوست‌دار محیط نیستند. از طرفی پیل سوختی با کمترین آلودگی ممکن برق‌رسانی را انجام می‌دهد. پس چرا در حال حاضر رقابتی بین این دو شکل نگرفته است؟ جواب را باید در مبحث هزینه‌ها جستجو کرد. پیل سوختی برای تولید و راه‌اندازی در مقیاس کلان هزینه‌ای به مراتب بیشتر از روش‌های کلاسیک می‌طلبد؛ ازهمین‌رو اگرچه دوست‌دار محیط است، در بین سرمایه‌گذاران محبوب نیست.

برای انجام این جایگزینی، برنامه‌های بلند مدت حمایتی از طرف دولت نیاز است. این برنامه با دو راهکار اصلی قابل اجرا می‌باشد. اول اینکه قیمت گاز لازم برای راه اندازی پیل کاهش یابد یا برای مدتی رایگان شود. این حمایت نرخ بازگشت سرمایه را به شدت بالا برده و سرمایه‌گذاران را مجاب به استفاده از این روش می‌نماید. دولت همچنین می‌تواند با تخصیص یارانه برای ساخت یا خرید قطعات مورد نیاز، به ورود این سیستم به بازار رقابت کمک نماید.

راه دومی که نرخ بازگشت سرمایه را برای پیل سوختی بالا می‌برد، افزایش قیمت سوخت است. همانطور که در دهه‌های اخیر، کمبود و بالطبع افزایش قیمت سوخت باعث روی آوردن به سوخت‌های جایگزین شد. دولت‌ها می‌توانند در یک چشم‌انداز بلند مدت، پیل سوختی را جایگزین نیرو‌گاه‌های بزرگ کنونی نمایند. این جایگزینی در گرو برنامه‌ریزی صحیح و اجرای دقیق آن برنامه می‌باشد.

چگونه یک پیل سوختی خانگی بسازیم؟

شاید پس از شمردن مزایای این سیستم، برای شما این سوال پیش آمده باشد. اول از همه باید بدانید این عملیات به‌هیچ‌وجه ارزان نیست. ساخت یک پیل سوختی از نوع PEM (غشاء تبادل پروتون) می‌تواند تا یک میلیارد هزینه روی دست شما بگذارد. این هزینه در صورت ارائه‌ی راه‌کارها خلاقانه و استفاده از قطعات کارکرده تا ۲۰۰میلیون تومان قابل کاهش است. این هزینه، حداقل هزینه‌ی لازم برای ساخت یک پیل سوختی خانگیست. اما ساخت این دستگاه، به غیر از هزینه، چه چالش‌هایی دارد؟

تامین هیدروژن

برای این‌کار روش‌های مختلفی وجود دارد. شما می‌توانید هیدروژن را به مقدار محدود خریداری کنید. این هیدروژن درون یک تیوب به شما تحویل داده خواهد شد. این روش برای مواقعیست که استفاده‌ی شما از پیل سوختی برای برق اضطراریست. اگر استفاده‌ی پیوسته و دائمی از پیل خود داشته باشید، دو راه پیش روی شما قرار دارد؛ اولین راه الکترولیز آب و راه دوم استفاده از رفورمر می‌‌باشد.

همانطور که پیشتر اشاره شد، رفورمر وظیفه‌ی خالص‌سازی هیدروژن را برعهده دارد. برای کارایی مناسب، پیل سوختی نیازمند هیدروژن خالص یا دمای بالای کاری می‌باشد. استفاده از سوخت نامناسب علاوه بر اثرات کوتاه مدت و کاهش اثربخشی، در بلند مدت نیز می‌تواند به سیستم آسیب رسانده عمر آن را کم کند.

ذخیره‌ی هیدروژن

این دستگاه قادر است تا ۲۴هزار لیتر در روز هیدروژن تولید کند. برای خانه‌های ویلایی خارج شهر و مواقعی که از خانه خارج می‌شوید، نیازمند ذخیره‌ی هیدروژن تولید شده خواهید بود. برای ۲۴هزار لیتر می‌توان از ۵ بطری مخصوص نگهداری هیدروژن (سایز K) استفاده نمود. راه دیگر استفاده از هیدرید فلزی (Solid-H) می‌باشد. این محفظه‌های فلزی گران قیمت بوده اما فضای ذخیره‌ی بیشتری در اختیار شما قرار می‌دهند.

ساختمان پیل

ساختار پیل (متشکل از الکترود‌ها و الکترولیت) به صورت آماده در بازار وجود دارد. شما به راحتی و با داشتن اطلاعات لازم می‌توانید موردی مناسب مصرفتان تهیه کنید. برای تشخیص اینکه چه سایز و ظرفیتی مناسب شماست، ابتدا لازم است توان مصرفی خود را به صورت میانگین محاسبه نمایید. برای این کار، کافیست توان مصرفی ماهانه‌ی خود را تقسیم بر ۳۰ و سپس تقسیم بر ۲۴ نمایید.

لازم به ذکر است این عدد تنها میانگین بوده و نشان‌دهنده‌ی توان مصرفی شما در ساعات اوج بار نیست. برای خرید قطعات اصلی پیل سوختی بهتر است دست بالا را بگیرید. زیرا اگر مدل انتخاب شده جوابگوی نیاز شما در اوج مصرفتان نباشد، هزینه‌‌های اضافی تعمیر و اصلاح سیستم بر شما تحمیل خواهد شد.

اتصال و رعایت نکات ایمنی

خروجی پیل به‌طورمعمول از نوع جریان مستقیم می‌باشد. برای اتصال برق خانگی به پیل سوختی نیاز است از مبدل استفاده کنید. این مبدل اینورتر (Inverter)نام داشته و انواع مختلفی دارد. اگر خانه‌ی مورد نظر در خارج شهر بوده و به برق شهری متصل نیست، یک اینورتر ساده جوابگو خواهد بود. اما اگر به برق شهری متصل هستید، اینورتر شما باید از نوع گره توری (grid tie)باشد.

رعایت نکات ایمنی در مراحل اتصال و راه‌اندازی بسیار مهم است. بهتر است قبل از هرچیز با یک متخصص مشورت کنید. در صورت امکان حتی از نظارت و مشارکت او در مراحل نهایی نصب نیز کمک بگیرید. دقت داشته باشید اشتباهات شما می‌تواند به تهدید سلامت خودتان و یا آسیب جدی به لوازم خانه منجر شود. نکته‌ی ایمنی دیگر مربوط به گاز هیدروژن است. هیدروژن از سوخت‌های فسیلی امن‌تر بوده اما به علت فشردگی بالا، خطرات و تهدید‌های مربوط به خود را دارد.