سلول سوختی

سلول سوختی یک سلول الکتروشیمیایی است که انرژی پتانسیل را از نوعی سوخت، از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی سوخت هیدروژنی با اکسیژن یا یک عامل اکسید کننده دیگر، به برق تبدیل می کند. سلول های سوختی با باتری ها از جهت نیاز به منبع مستمر سوخت و اکسیژن برای حفظ واکنش شیمیایی، متفاوت هستند؛ در واقع در باتری، انرژی شیمیایی از مواد شیمیایی موجود در خود باتری تامین می شود. سلول های سوختی می توانند به طور مداوم برای مدت طولانی سوخت و اکسیژن تولید کنند.

اولین سلول های سوختی در سال ۱۸۳۸ اختراع شدند. اولین استفاده تجاری از سلول های سوختی بیش از یک قرن بعد از اختراع آنها، در برنامه های فضایی ناسا برای تولید انرژی برای ماهواره ها و کپسول های فضایی صورت گرفت. از آن به بعد سلولهای سوختی در بسیاری از برنامه های کاربردی دیگر مورد استفاده قرار گرفتند. سلول های سوختی برای نیروی اولیه و کمکی در زمینه های تجاری، صنعتی و مسکونی و در مناطق دورافتاده و غیر قابل دسترس، استفاده می شوند. آنها همچنین در وسایل نقلیه ی استفاده کننده از سلول سوختی، از جمله لیفتراک، خودرو، اتوبوس، قایق، موتورسیکلت و زیردریایی مورد استفاده قرار می گیرند.

انواع مختلفی از سلول های سوختی وجود دارد، اما همه آنها شامل یک آند، یک کاتد و یک الکترولیت هستند که یونهای هیدروژن مثبت (پروتون ها) را در دو طرف سلول سوخت حرکت می دهد. در آند، کاتالیزور باعث می شود که سوخت مورد نیازِ واکنش های اکسیداسیون ایجاد شود که در واقع پروتون ها (یون های هیدروژن مثبت شارژ شده) و الکترون ها را تولید می کند. پروتون ها از آند به کاتد از طریق الکترولیت و پس از واکنش، جریان می یابند. در همان حال، الکترونها از یک آند به کاتد که از طریق یک مدار خارجی ایجاد میشود، تولید برق مستقیم را انجام می دهند. در کاتد، یکی دیگر از کاتالیزورها، یونهای هیدروژن، الکترون ها و اکسیژن را با هم واکنش داده و آب را تشکیل می دهد. سلول های سوختی بر اساس نوع الکترولیتِ استفاده شده و یا اختلاف زمان شروعِ واکنش، از ۱ ثانیه برای سلول های سوختی غشایی پروتون (سلول های سوخت PEM یا PEMFC) تا ۱۰ دقیقه برای سلول های سوخت جامد اکسید شده (SOFC) طبقه بندی می شوند. یک فن آوری مرتبطِ دیگر، Flow Batteries است که در آن سوخت را می توان با شارژ مجدد احیا کرد. سلول های سوخت جداگانه یک پتانسیل الکتریکی نسبتا کوچک تولید می کنند که حدود ۰٫۷ ولت است، بنابراین سلول ها “انباشته” می شوند و یا به صورت یک سری قرار می گیرند تا ولتاژ کافی برای برآورده شدن نیازهای دستگاه را ایجاد کنند. علاوه بر برق، سلول های سوختی آب، گرما و، بسته به منبع سوخت، مقدار بسیار کمی از دی اکسید نیتروژن و دیگر گازها را نیز تولید می کنند. بهروری انرژی یک سلول سوخت معمولا بین ۴۰تا۶۰٪ است؛ با این حال، اگر گرمازدایی در دستگاه انجام شود، کارایی سلول تا ۸۵٪ نیز می تواند برسد.

به طورِ کلی، انواعِ سلول هلی سوختی عبارتند از:

• Phosphoric acid fuel cell (PAFC)
• Solid acid fuel cell (SAFC)
• Alkaline fuel cell (AFC)
• High- temperature fuel cell (SOFC)
• Electric storage fuel cell (ESFC)
• Molten carbonate fuel cell (MCFC)

 

طراحی و ساختارِ اصلیِ سلولِ سوختی

•ماده الکترولیتی که معمولا نوع سلول سوختی را مشخص می کند و می تواند از تعدادی از مواد مانند هیدروکسید پتاسیم، کربنات های نمکی و اسید فسفریک ساخته شود.

 •سوخت استفاده شده، که معمول ترین نوعِ آن، هیدروژن است.

•کاتالیزور آند، معمولا پودر پلاتین را بهبود می دهد و سوخت را به الکترون و یون تجزیه می کند.

•کاتالیزور کاتد که اغلب نیکل است که یونها را به مواد شیمیایی زائد تبدیل می کند و آب شایع ترین نوع این جور موادِ زائد است.

•لایه های انتشار گاز که برای مقاومت در برابر اکسیداسیون طراحی شده اند.

یک سلول سوخت معمولی، ولتاژ را از ۰٫۶ V تا ۰٫۷ V در حالتِ مطلوب تولید می کند. ولتاژ تحتِ تاثیرِ عوامل متعددی با افزایش جریان، کاهش می یابد؛ از جمله تلف شدن نیروی اهمی، نیروی تلف شده در اثر جابجایی، نیروی از دست رفته ی آغازین، و…

بازاریابی و اقتصاد

در سال ۲۰۱۲، صنایع سلول سوختی، با درآمدِ بیش از ۱ میلیارد دلار ارزش، در بازارهای سراسر جهان نفوذ کردند. از سال ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۲ میزان حمل و نقل سلول های سوختی به صورتِ جهانی، ۸۵ درصد رشد سالانه داشته است. تقریبا ۵۰ درصد از میزان حمل و نقل سلول های سوختی در سال۲۰۱۰ مربوط به سلول های سوخت ثابت بود. چهار تولید کننده غالب در صنعت سلول سوخت عبارت بودند از ایالات متحده، آلمان، ژاپن و کره جنوبی.

گروه های صنعتی پیش بینی می کنند که منابع پلاتینیومِ کافی برای تقاضا های آینده وجود دارد و در سال ۲۰۰۷، تحقیقات در آزمایشگاه ملی بروکلین نشان داد که پلاتین را می توان  با پوشش پالادیوم طلا، جایگزین کرد که باعثِ خطرِ مسمویتِ کمترِ آن شده و در همچنین ، طول عمرِ سلولِ سوختی نیز افزایش یابد. در روش دیگری، از آهن و گوگرد به جای پلاتین استفاده می شود که هزینه یک سلول سوختی را به مراتب بیشتر کاهش می دهد.

در آخر، قابلِ ذکر است که با وجودِ تمامِ برتری و کارآمدی های این سلول ها، در سال ۲۰۱۶،شرکتِ بزرگی مانند سامسونگ، تصمیم گرفت طرح های تجاری مربوط به سلول های سوختی را به خاطرِ قابلِ قبول نبودنِ چشم اندازِ بازارِ آن، متوقف کند.