پيل سوختي

[.sOuDeH. 16059]

پيل‌‌سوختي نوعي پیل الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي حاصل از واكنش را مستقيماً به انرژي الكتريكي تبديل مي‌کند. سازه و بدنه اصلي پيل‌سوختي از الكتروليت، الكترود آند و الكترود كاتد تشكيل شده است. نماي كلي يك پيل‌سوختي به همراه گازهاي واكنش دهنده و توليد شده و مسير حركت يونها در شكل های زیر ارائه شده است.

 

 

 

 

پيل سوختي يك دستگاه تبديل انرژي است كه به لحاظ نظري تا زماني كه ماده اكسيد كننده و سوخت در الكترودهاي آن تأمين شود قابليت توليد انرژي الكتريكي را دارد. البته در عمل استهلاك، خوردگي و بد عمل كردن اجزاي تشكيل دهنده، طول عمر پيل‌سوختي را كاهش مي‌دهد.

 

در يك پيل‌سوختي، سوخت‌ به طور پيوسته به الكترود آند و اکسيژن به الكترود کاتد تزريق مي‌شود و واكنش‌هاي الكتروشيميايي در الكترودها انجام شده و با ايجاد پتانسيل الکتريکي جريان الكتريكي برقرار مي‌گردد. اگرچه پيل‌سوختي اجزاء و ويژگيهاي مشابه يک باتري را دارد اما از بسياري جهات با آن متفاوت است. باتري يك وسيله ذخيره انرژي است و بيشترين انرژي قابل استحصال از آن به وسيله ميزان ماده شيميايي واكنش دهنده كه در خود باتري ذخيره شده است (عموماً در الکترودها) تعيين مي‌شود. چنانچه ماده واكنش دهنده در باتري كاملاً مصرف شود، توليد انرژي الكتريكي متوقف خواهد شد (باتري تخليه مي‌شود). در باتري هاي نسل دوم ماده واكنش دهنده با شارژ مجدد، دوباره احيا مي‌شود كه اين عمل مستلزم تأمين انرژي از يك منبع خارجي است. در اين حالت نيز انرژي الكتريكي ذخيره شده در باتري محدود و وابسته به ميزان ماده واكنش دهنده در آن خواهد بود.

 

گاز‌ اکسيد کننده نظير هوا يا اکسيژن خالص در الکترود کاتد که با صفحه الکتروليت در تماس است جريان پيدا مي‌‌کند و با اكسيداسيون الكتروشيميايي سوخت كه معمولاً هيدروژن است و با احياء اكسيد كننده انرژي شيميايي گازهاي واکنش‌گر به انرژي الکتريکي تبديل مي‌شود.

 

از نظر تئوري، هر ماده‌اي كه به صورت شيميايي قابل اكسيد شدن باشد و بتوان آن را به صورت پيوسته (به صورت سيال) به پيل‌سوختي تزريق كرد، مي‌تواند به عنوان سوخت در الكترود آند پيل‌سوختي مورد استفاده قرار گيرد. به طور مشابه ماده اكسيد كننده سيالي است كه بتواند با نرخ منا‌‌سبي احيا شود.

 

گاز هيدروژن به دليل تمايل واكنش دهندگي بالا به همراه چگالي انرژي بالا به عنوان سوخت ايده‌آل در پيل‌سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. هيدروژن را مي‌توان از تبديل هيدروكربن‌ها از طريق واكنش ‌كاتاليستي، توليد و به صورتهاي گوناگون ذخيره سازي‌كرد. اكسيژن مورد نياز در پيل‌سوختي به طور مستقيم از هوا تهيه مي‌شود. بر روي سطح الکترودهاي آند و کاتد پيل‌سوختي واکنش اکسيداسيون و احياء در ناحيه سه فازي (و در صورت جامد بودن الکتروليت دو فازي) نزديک سطح مشترک واكنش دهنده‌ها، كاتاليست و الكتروليت صورت مي‌گيرد. اين ناحيه سه فازي نقش مهمي در عملكرد الكتروشيميايي پيل‌سوختي به ويژه پيل‌هاي‌سوختي با الكتروليت مايع دارد. در اينگونه پيل‌هاي‌سوختي، گازهاي واكنش دهنده از ميان يك لايه نازك از الكتروليت كه سطح الكترودهاي متخلخل را پوشانده است عبور كرده و واكنش الكتروشيميايي مناسب روي سطح الكترود مربوطه انجام مي‌شود. چنانچه الكترود متخلخل حاوي مقادير بيش از حد الكتروليت باشد الكترود در اصطلاح غرق (flood) شده و به اين ترتيب انتقال واکنشگرهاي گازي محلول در الكتروليت به مکان‌هاي واكنش محدود مي‌شود. در نتيجه عملكرد الكتروشيميايي الكترود متخلخل تضعيف مي‌شود لذا ضروري است كه در ساختار الكترودهاي متخلخل يك تعادل مناسب بين الكترود، الكتروليت و فاز گازي ايجاد شود.

 

تلاش‌هاي اخير جهت بهبود عملكرد واکنش الكترو‌شيميايي، کاهش هزينه‌هاي توليد، كاهش ضخامت اجزاي پيل‌سوختي و در عين حال اصلاح و بهبود ساختار الكترودها و فاز الكتروليت متمرکز شده است. الكتروليت با هدايت يون‌ها بين الكترودها سبب تكميل مدار الكتريكي پيل‌سوختي مي‌شود. الکتروليت يك مانع فيزيكي بين سوخت و گاز اكسيژن ايجاد مي‌كند و مانع اختلاط مستقيم آنها مي‌شود. وظيفه صفحات الكترود متخلخل در پيل‌سوختي شامل موارد زير است:

 

1ـ ايجاد يك سطح فعال و مناسب كه واكنش هاي الكتروشيميايي روي اين سطوح انجام مي‌شود.

 

2ـ هدايت يونهاي حاصل از واكنش به داخل يا خارج از ناحيه تبادل سه فازي و انتقال الکترون‌هاي توليدي به مدار خارجي (الكترودها بايد هدايت الكتريكي خوبي داشته باشد).

 

براي افزايش سطح تماس واكنش دهنده‌ها با کاتاليست لازم است كه ساختار الكترود، متخلخل بوده و ميزان سطح در دسترس و پوشش داده شده توسط كاتاليست نسبت به حجم الکترود زياد باشد. ساختار متخلخل، دسترسي راحت اجزاء واکنش دهنده به مراکز فعال را ميسر مي‌سازد.

 

نرخ واكنش‌هاي الکتروشيمي با افزايش دما افزايش پيدا مي‌كند، لذا خاصيت كاتاليزوري ‌الكترودها در پيل‌هاي‌سوختي دما پايين از اهميت بيشتري در مقايسه با پيل‌سوختي دما بالا برخوردار است. الكترودهاي متخلخل بايد در هر ‌دو طرف تماس با الكتروليت و گازهاي واکنش‌دهنده، نفوذ‌پذير باشند تا حدي كه توسط الكتروليت اشباع نشده و بوسيله گازهاي واکنش دهنده خشك نشوند.

 

منبع:رهام الکترونیک