نحوه کارکرد پیل سوختی

پیل سوختی چگونه کار می کند؟
هدف از ساخت پیل سوختی تولید جریان برق به گونه ای است که با جریان خروجی از پیل، مثلاً بتوان یک موتور الکتریکی را راه اندازی و یا چراغی روشن کرد.

به دلیل ماهیت عملکردی الکتریسیته، جریان تولیدی در پیل سوختی در نهایت به آن باز می گردد تا یک مدار را کامل کند.

در واقع، این واکنش های شیمیایی هستند که جریان را تولید می کنند و اصل عملکرد پیل سوختی را شکل می دهند.

انواع مختلفی پیل سوختی وجود دارد که تا حدی متفاوت از یکدیگر عمل می کنند، اما به طور کلی، اتم های هیدروژن به آند پیل وارد و در آنجا در یک واکنش شیمیایی یونیزه شده و دارای بار مثبت می شوند. جریان الکترون های جدا شده از هیدروژن، جریان داخل سیم را شکل می دهد.

اگر جریان متناوب (AC) نیاز باشد، جریان مستقیم خروجی از پیل وارد دستگاه به نام اینورتر می شود تا به جریان متناوب مطلوب تبدیل شود.

در پیل سوختی، اکسیژن به کاتد وارد شده و در بعضی انواع پیل سوختی در آنجا با الکترون هایی که از مدار بر می گردند و یون های هیدروژن که از طریق الکترولیت از آند عبور کرده اند، واکنش می دهد.

در انواع دیگر، اکسیژن به همراه الکترون ها از الکترولیت گذشته و در آند با یون هیدروژن واکنش می دهد.

الکترولیت نقشی کلیدی در پیل سوختی ایفا می کند، زیرا باید به یون های مشخصی اجازه عبور بین کاتد و آند را بدهد. اگر الکترون های آزاد یا ذرات دیگر بتوانند از الکترولیت عبور کنند، واکنش شیمیایی را دچار اختلال خواهند کرد.

ترکیب هیدروژن و اکسیژن چه در آند اتفاق بیفتد و چه در کاتد، ماحصل آن آب خواهد بود که از پیل خارج می شود. می توان گفت تا وقتی که ورودی اکسیژن و هیدروژن پیل تأمین شود، برق نیز تولید خواهد شد.

مزیت دیگر پیل سوختی در مقایسه با دیگر منابع این است که پیل سوختی به صورت شیمیایی برق تولید می کند و نه با واکنش احتراق؛ بنابراین محدودیت های قوانین ترمودینامیکی مانند محدودیت کارنو را ندارد و در نتیجه، پیل سوختی در استخراج انرژی از یک سوخت، بهینه تر و کارآمدتر عمل می کند.

علاوه بر این، حرارت اتلافی پیل را نیز می توان کنترل و از آن برای افزایش کارایی سیستم استفاده کرد.

اما چرا نمی توان پیل سوختی را به راحتی تهیه کرد؟ با اینکه تشریح طرز کار پیل سوختی دشوار نیست، اما ساخت یک پیل سوختیِ کم هزینه، کارآمد و قابل اطمینان کار بسیار دشواری است.

محققان و مخترعان برای دستیابی به کارآمدی بیشتر، مدل های مختلفی از پیل را طراحی کرده اند که جزئیات فنی هر کدام متفاوت از دیگری است.

در ساخت پیل، مسئله ای که بیشترین محدودیت را برای سازندگان ایجاد می کند، انتخاب الکترولیت است.

برای مثال، طراحی الکترودها و انتخاب مواد سازنده آن ها به الکترولیت بستگی دارد. امروزه انواع الکترولیت های متداول عبارتند از:

آلکالی، کربنات مذاب، اسید فسفریک، غشاء تبادل پروتون (PEM) و اکسید جامد. سه نوع اول الکترولیت مایع دارند و دو مدل آخر الکترولیت جامد.

نوع پیل سوختی به الکترولیت آن بستگی دارد. بعضی از پیل ها به هیدروژن خالص نیاز دارند، بنابراین به دستگاه ها یا قطعات اضافه ای نیز برای خالص کردن سوخت احتیاج خواهند داشت، مانند تبدیلگر (Reformer) یا بهساز سوخت.

انواع دیگر پیل، ناخالصی را می پذیرند، اما باید دمای کاری آن ها بالاتر باشد تا کارآمدی خود را حفظ کنند.

هر گونه ای از پیل سوختی مزایا و معایبی دارد، اما هنوز هیچ کدام به اندازه ای به صرفه نیست تا جایگزین مدل های سنتی تأمین انرژی مانند نیروگاه های هسته ای یا فسیلی شود.