مقدمه
تقاضای روزافزون برای انرژی الکتریکی و رقابت شدید بین شرکتهای برقی در بازار جدید برق، باعث افزایش تحقیقات برای منابع جایگزین انرژی الکتریکی شده که قابل اعتماد و مقرون به صرفه باشند. سلول سوختی به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر، به صورت یکی از نویدبخش ترین منابع توان الکتریکی در نظر گرفته می شود. نه فقط بوسیله بازده بالاتر از نیروگاههای مرسوم شناخته می شوند، بلکه سلولهای سوختی همچنین از نظر محیطی تمیز هستند که دارای انتشار به شدت پایینی از اکسیدهای نیتروژن و سولفید می باشند، بنابراین راه حلی برای طیف وسیعی از چالش های زیست محیطی در نظر گرفت می شوند مثل گرمای جهانی و سطوح مضر آلاینده های محلی از مثلاً ماشینها در محیط شهری. همچنین یک مزیت دیگر آنها این است که نویز بسیار پایینی دارند، به نحوی که اثر کلی آنها روی محیط کوچک است. این به آنها اجازه می دهد که بتوانند در جاهایی قرار گیرند که برای سیستمهای توان مرسوم قابل قبول نیست.
به هر حال در حقیقت مهمترین دلیل برای توسعه گسترده آنها، انعطاف پذیری اشان می باشد. سلولهای سوختی از استفاده در حمل و نقل مثل دوچرخه ها تا فضاپیما پیدا می شوند و می توانند برای وسائل قدرت به کوچکی موبایل یا برای تأمین برق یک کارخانه مورد استفاده قرار گیرند. به هر حال به عنوان نتیجه ای از این انعطاف پذیری، هیچ چیزی به عنوان یک سلول سوختی ایده آل وجود ندارد. استفاده های مختلف احتیاج به ویژگیهای متفاوت دارد. بعضی کاربردها قادر به استفاده از گرمای تلف شده هستند و بعضی احتیاج به راه اندازی سریع دارند؛ تعداد زیادی نگرانی اثر محیطی کلی را دارند در حالیکه دیگران احتیاج به سودمندیهای موقعیت دارند که انواع مختلفی از سلول سوختی می تواند داشته باشد. این تغییر در نیازها برای یک سلول سوختی منجر به تعداد زیادی رویکرد متفاوت می شود که در نظر گرفته می شود.
تعریف و نحوه عملکرد
یک سلول سوختی (FC) یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. مثل یک باتری، یک سلول سوختی شامل یک جفت الکترود و یک الکترولیت است. برخلاف یک باطری، گونه های مصرف شده در طی واکنشهای الکتروشیمیایی بطور مداوم دوباره پر می شوند به طوری که هرگز نیازی به شارژ مجدد سلول نیست. اجزای اصلی یک سلول سوختی در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1) اساس سلول سوختی
یک سوخت، معمولاً هیدروژن برای آند سلول سوختی تأمین می شود. در آند، سوخت اکسید می شود و الکترونهایی را تولید می کند که از طریق مدار خارجی عبور می کنند. در کاتد، که الکترونهایی را از مدار خارجی مصرف می کند، اکسید کاهش می یابد. یونها از طریق الکترولیت برای متعادل سازی شارش الکترونها از طریق مدار خارجی حرکت می کنند. واکنشهای آند و کاتد و ترکیب و جهت شارش یون متحرک با تغییر نوع سلول سوختی، عوض می شود.
انواع سلول های سوختی
سلول های سوختی معمولاً بوسیله نوع الکترولیت مشخص می شوند. در حال حاضر، نویدبخش ترین این سلولها عبارتند از:
-
سلولهای سوختی غشای تبدیل پروتون (PEMFC) و سلولهای سوختی مستقیم متانول (DMFC) که از یک غشای پلیمری به عنوان الکترولیت استفاده می کنند.
-
سلولهای سوختی اسید فسفریک (PAFC) که از اسید فسفریک خالص به عنوان الکترولیت استفاده می کنند.
-
سلولهای سوختی کربنات مذاب (MCFC) که از ترکیب ذوبشدهای از لیتم، سدیم و کربنات پتاسیم به عنوان الکترولیت استفاده می کنند.
-
سلولهای سوختی اکسید جامد (SOFC) که از یک ماده سرامیکی به عنوان الکترولیت استفاده می کنند.
شکل 1 قاعده واکنش آند و کاتد و یون متحرک مربوط به معمول ترین انواع سلول سوختی را نشان می دهد. برای همه سلولها بجز DMFC، واکنش خالص سلول عبارت است از:
اگرچه این پنج نوع سلول سوختی دارای ساختار مشابه بوده و واکنشهای شیمیایی خالص مشابه دارند، اما با توجه به مشخصات عملکردی، مواد ساخت و ساز و پتانسیل کاربردی متفاوت می باشند.
سلول های سوختی را می توان از نظر دمای کاری به پایین دما، متوسط دما و دما بالا تقسیم شوند. سلولهای سوختی پایین دما شامل سلول سوختی آلکالاین (AFC) و سلول سوختی پلیمر جامد (SPFC) یا سلول سوختی غشای تبدیل پروتونی (PEMFC) می شوند. کلاس دما متوسط سلول سوختی اسید فسفریک (PAFC) را دارد. کلاس دما بالا سلول سوختی کربنات ذوب شده (MCFC) و سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) را دارا می باشد.
سلول سوختی غشای تبدیل پروتون (PEMFC)
سلول سوختی PEM یکی از نویدبخش ترین و به طور مشخص شناخته شده ترین انواع سلول سوختی است. PEMFC اغلب به عنوان یک جایگزین بالقوه برای موتور احتراق داخلی (IC) در کاربردهای حمل و نقل در نظر گرفته می شود. PEMFC شامل الکترودهای متخلخل کربنی متصل به غشای پلیمری بسیار نازک سولفونیده است. به صورتی که در شکل 2 نشان داده شده است، این مونتاژ الکترود غشایی (MEA) بین دو صفحه جمع کننده ساندویچ شده که یک مسیر الکتریکی را از الکترودها به مدار خارجی تأمین می کنند. کانالهای جریان برش در صفحات جمع کننده، گازهای واکنش دهنده را روی سطح الکترودها توزیع می کنند. سلول های مجزا شامل صفحات جمع کننده و MEA به طور سری برای شکل دادن یک پشته سلول سوختی مونتاژ می شوند.
شکل 2) پیکربندی سلول سوختی PEM