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.