امروزه یکی از جدیدترین سیستم‌های تولید و تبدیل انرژی فناوری پیل سوختی است، که به خاطر سازگاری با محیط‌زیست و تجدید پذیر بودن منابع آن مورد توجه دانشمندان قرارگرفته است. پیل‌های سوختی دستگاه‌هایی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. پیل سوختی مانند یک باتری است اما نسبت به یک باتری می‌تواند انرژی الکتریکی را در مدت زمان طولانی‌تری تأمین کند.
به همین دلیل پیل‌های سوختی در کاربرد‌های مختلفی مانند نیروگاه‌های برق، سفینه‌های فضایی، بخش‌های نظامی، تکنولوژی و صنعت می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. کاربرد‌های مختلف موجب به وجود آمدن پیل‌های سوختی مختلف شد که در شرایط مختلف بهترین عملکرد را داشته باشند. در این مقاله انواع مختلف پیل‌های سوختی که بر اساس نوع الکترولیت دسته‌بندی‌شده‌اند بررسی شده است و مزایا و معایب هرکدام شرح داده شده است.
1- پیل سوختی
در کنار مزایایی که فناوری پیل سوختی دارد، دارای محدودیت‌های نیز است. پیل‌های سوختی دارای دو مشکل عمده هستند:
- سرعت پایین واکنش که منجر به توان کم و جریان پایین آن‌ها می‌شود.
- هیدروژن به‌عنوان سوخت مورد استفاده در آن‌ها چندان در دسترس نیست.
برای حل این مشکلات، انواع مختلف پیل‌های سوختی طراحی و ساخته شده‌اند. نوع الکترولیت آن‌ها تعیین کننده نوع پیل است زیرا جنس الکترولیت تعیین کننده دمای کاری و عملکرد پیل است. بر این اساس پیل‌های سوختی به پنج گروه تقسیم می‌شوند:
پیل سوختی قلیایی، پیل سوختی اسید فسفریک، پیل سوختی کربنات مذاب، پیل سوختی پلیمری، پیل سوختی اکسید جامد
پیل سوختی قلیایی، پیل سوختی اسید فسفریک، پیل سوختی کربنات مذاب، پیل سوختی پلیمری، پیل سوختی اکسید جامد
2- پیل سوختی قلیایی
در سال 1930 یک دانشمند انگلیسی به نام فرانسیس توماس بیکن، پتاسیم هیدروکسید را به‌جای الکترولیت در اولین پیل سوختی ساخته شده توسط گرو، استفاده کرد [1]. پتاسیم هیدروکسید برخلاف الکترولیت اسیدی که گرو در اولین پیل سوختی استفاده کرده بود، باعث خوردگی الکترود‌ها نمی‌شود. در این پیل‌ها از محلول پتاسیم هیدروکسید در آب به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. دمای عملکرد این پیل‌ها، حدود 150 الی 200 درجه سانتی‌گراد می‌باشد. در این پیل یون‌های هیدروکسید با عبور از داخل الکترولیت از سمت کاتد به‌طرف آند حرکت کرده و در آند با گاز هیدروژن برهم‌کنش می‌کند و تولید آب و الکترون آزاد می‌کند. الکترون‌ها با عبور از مدار خارجی از آند به‌طرف کاتد تولید جریان الکتریکی می‌نماید.
واکنش‌هایی که در الکترود‌های پیل سوختی قلیایی اتفاق می‌افتد به‌صورت زیر است:
1-2- مزایا و معایب پیل سوختی قلیایی
مشکل این پیل‌ها حساسیت آن‌ها به ناخالصی اکسید‌های کربنی در سوخت است که موجب تولید کربنات پتاسیم می‌شود و موجب محدودیت جدی عملکرد آن است. نکته‌ای که باید به آن توجه کرد این است که آب تولید شده در آند دو برابر آب مصرفی در کاتد است و باید به‌طور مداوم تخلیه شود.
3- پیل سوختی اسید فسفریک
در سال 1961، نسل جدیدی از پیل‌های سوختی، که پیل دما متوسط نامیده شدند، ارائه شد. در آزمایش‌های صورت گرفته بجای الکترولیت اسیدسولفوریک پیل گرو، از الکترولیتی متشکل از 35 درصد اسید فسفریک استفاده شد. پیل در طول عملکرد سیستم، به‌طور الکتروشیمیایی کاهش پیدا می‌کند [3].
در حال حاضر پیل‌های سوختی اسید فسفریکی جنبه تجاری یافته‌اند. قطبش غلظت، قطبش فعال‌سازی آند و قطبش اهمی در مقایسه با تلفات ناشی از قطبش فعال‌سازی کاتد ناچیز هستند. این‌گونه پیل‌ها در دمای حدود 150 الی 200 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند.
یون‌های مثبت هیدروژن از طریق الکترولیت، از طرف آند به کاتد حرکت می‌کنند. الکترون‌ها در کاتد با یون‌های هیدروژن و اکسیژن تشکیل آب می‌دهند که از پیل خارج می‌شود. استفاده از کاتالیست پلاتین در الکترود‌ها سرعت واکنش‌ها را در پیل افزایش می‌دهد. به دلیل رسانایی ضعیف اسید فسفریک، این پیل‌ها خیلی پیشرفت نکرده‌اند.
واکنش‌هایی که در الکترود‌های پیل سوختی اسید فسفریک اتفاق می‌افتد به‌صورت زیر است:
در حال حاضر پیل‌های سوختی اسید فسفریکی جنبه تجاری یافته‌اند. قطبش غلظت، قطبش فعال‌سازی آند و قطبش اهمی در مقایسه با تلفات ناشی از قطبش فعال‌سازی کاتد ناچیز هستند. این‌گونه پیل‌ها در دمای حدود 150 الی 200 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند.
یون‌های مثبت هیدروژن از طریق الکترولیت، از طرف آند به کاتد حرکت می‌کنند. الکترون‌ها در کاتد با یون‌های هیدروژن و اکسیژن تشکیل آب می‌دهند که از پیل خارج می‌شود. استفاده از کاتالیست پلاتین در الکترود‌ها سرعت واکنش‌ها را در پیل افزایش می‌دهد. به دلیل رسانایی ضعیف اسید فسفریک، این پیل‌ها خیلی پیشرفت نکرده‌اند.
واکنش‌هایی که در الکترود‌های پیل سوختی اسید فسفریک اتفاق می‌افتد به‌صورت زیر است:
1-3- مزایا و معایب پیل سوختی اسید فسفریک
این نوع پیل‌ها برخلاف پیل‌های سوختی قلیایی با سوخت‌های دارای کربن دی‌اکسید و کربن مونواکسید نیز کار می‌کنند. لذا سوخت این پیل‌ها می‌تواند از گاز طبیعی (متان)، محصولات نفتی (مانند نفتا)، مایعات ذغال سنگی (نظیر متانول) و یا گاز‌های حاصل از ذغال سنگ تأمین گردد. دمای عملکرد این پیل‌ها چندان بالا نیست و آب و هوای گرم خروجی سیستم می‌توان برای گرم کردن محیط استفاده نمود. برای افزایش کارایی پیل، کاربرد فلزات نجیب به‌عنوان الکتروکاتالیست ضرورت دارد. با افزایش غلظت مونواکسید موجود در سیستم امکان مسموم شدن پیل وجود دارد و بازدهی پیل را پایین می‌آورد.
4– پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی کربنات مذاب مبدلی با دمای عملکرد بالا محسوب می‌شود. با توجه به عملکرد دمای بالای این پیل‌ها می‌توان از گرمای تولیدی پیل‌های سوختی کربنات مذاب برای گرم کردن محیط و یا تولید الکتریسیته بیشتر بهره برد.
در این نوع پیل، هیدروژن در آند با یون‌های کربنات واکنش داده و آب و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. از طرفی یون کربنات تولید شده در کاتد وارد الکترولیت می‌گردد. پیل‌های سوختی کربنات مذاب از سوخت‌های متفاوتی نظیر هیدروکربن‌های سنگین، متانول یا گاز طبیعی استفاده می‌کنند. واکنش‌هایی که در الکترود‌های پیل سوختی کربنات مذاب اتفاق می‌افتد به‌صورت زیر است:
در این نوع پیل، هیدروژن در آند با یون‌های کربنات واکنش داده و آب و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. از طرفی یون کربنات تولید شده در کاتد وارد الکترولیت می‌گردد. پیل‌های سوختی کربنات مذاب از سوخت‌های متفاوتی نظیر هیدروکربن‌های سنگین، متانول یا گاز طبیعی استفاده می‌کنند. واکنش‌هایی که در الکترود‌های پیل سوختی کربنات مذاب اتفاق می‌افتد به‌صورت زیر است:
1-4- مزایا و معایب پیل سوختی کربنات مذاب
به دلیل دمای عملکردی بالا دارای بازدهی بالا است و قطبش پیل قابل صرف‌نظر کردن است. همچنین نیازی به استفاده از کاتالیست و مبدل سوختی ندارد. مونواکسید کربن در دمای 600 تا 700 درجه سانتی‌گراد از طریق ماده گازی شکل موجود در آند به کربن دی‌اکسید و هیدروژن تبدیل می‌شود. دمای بالا محدودیت خوردگی را برای موادی که مناسب کار طولانی مدت هستند اعمال می‌کند. همچنین برای تکمیل واکنش کاتد نیاز به منبع کربن دی اکسید است. از طرف دیگر الکترولیت آن، ماده‌ای خورنده است و در طولانی مدت به پیل آسیب می‌رساند.
5- پیل سوختی پلیمری
این پیل اولین بار در دهه دوم 1960 در شرکت جنرال الکتریک برای ارتش آمریکا ساخته شد. سوخت این نمونه، توسط هیدروژنی که توسط آب و هیدرید لیتیم تولید می‌شد، تامیین می‌شود. بازده این پیل‌ها حدود 40 الی 50 درصد است. در پیل‌های سوختی پلیمری از یک غشا نفوذ پذیر بسیار نازک پلیمری به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. این غشا بسیار نازک و شفاف بوده و در دمای حدود 80 درجه سانتی گراد کار می‌کند. برای افزایش سرعت برهم‌کنش‌ها از کاتالیزور پلاتین در دو طرف این غشا استفاده می‌شود. در آند اتم‌های هیدروژن با از دست دادن الکترون‌های خود یونیزه شده و با انتشار در میان خلل و فرج غشا به سمت کاتد حرکت می‌کنند. در کاتد الکترون‌ها و پروتون‌های هیدروژن و مولکول‌های هوا یا اکسیژن با یکدیگر ترکیب شده و تشکیل آب می‌دهند. واکنش‌هایی که در الکترود‌های پیل سوختی پلیمری اتفاق می‌افتد به‌صورت زیر است:
1-5 مزایا و معایب پیل سوختی پلیمری
جامد بودن الکترولیت، جابجایی و تبخیر الکترولیت را از سیستم حذف می‌کند. تنها مایع موجود در سیستم آب است درنتیجه سیستم دارای خوردگی ناچیزی است. همچنین زمان راه‌اندازی این پیل کم است. از طرفی پیل باید در شرایطی کار کند که آب حاصل از واکنش، سریع‌تر از تولید آن به سمت هوا جریان نیابد. این کار عملکرد پیل را به دمای زیر 60 درجه سانتی‌گراد محدود می‌کند. از جمله معایب دیگر آن است که مقدار کمی مونواکسید کربن موجب مسمومیت کاتالیست الکترود‌های آن می‌شود [4].
6- پیل سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی سرامیکی در مدت زمان اندکی پس از اکتشافات نرنست در زمینه رساناهای اکسید جامد به وجود آمدند [5]. اولین پیل سوختی سرامیکی که در دمای 1000 درجه سانتی گراد کار می‌کرد، در سال 1937 ساخته شد. او رساناهای جامدی را شناسایی کرد که در دماهای بالا قادر به هدایت یون‌های اکسیژن بودند. در پیل سوختی اکسید جامد از الکترولیت سرامیکی بجای الکترولیت مایع استفاده می‌شود. الکترود‌های پیل نیز در دو طرف سطح الکترولیت لایه نشانی می‌شوند. بازدهی پیل‌های سوختی اکسید جامد حدود 45 درصد است ولی اگر تحت فشار قرار گیرند بازدهی آن‌ها به 60 درصد می‌رسد. در این پیل‌ها در صورت استفاده از دوره‌های ترکیبی گاهی بازده به 80 درصد هم می‌رسد [6].
دمای عملکرد بالای این پیل به یون‌های اکسیژن اجازه‌ی عبور از الکترولیت را می‌دهد. یون‌ها با عبور از میان الکترولیت با سوخت موجود در آند که محتوی هیدروژن بوده واکنش، تولید آب و الکترون آزاد می‌کنند. الکترون‌ها با عبور از مدار خارجی ضمن تولید جریان الکتریکی به سمت کاتد حرکت می‌کنند. واکنش‌هایی که در الکترود‌های پیل سوختی اکسید جامد اتفاق می‌افتد به‌صورت زیر است:
دمای عملکرد بالای این پیل به یون‌های اکسیژن اجازه‌ی عبور از الکترولیت را می‌دهد. یون‌ها با عبور از میان الکترولیت با سوخت موجود در آند که محتوی هیدروژن بوده واکنش، تولید آب و الکترون آزاد می‌کنند. الکترون‌ها با عبور از مدار خارجی ضمن تولید جریان الکتریکی به سمت کاتد حرکت می‌کنند. واکنش‌هایی که در الکترود‌های پیل سوختی اکسید جامد اتفاق می‌افتد به‌صورت زیر است:
1-5 مزایای و معایب پیل سوختی اکسید جامد
پیل سوختی دارای مزایای متعددی است:
- امکان استفاده از سوخت‌های متنوع را داراست.
- هیدروژن و سوخت‌های دارای مونوکسید کربن، با عملکرد خوبی همراه است و نیازی به فلزات نجیب و گران‌بها به‌عنوان کاتالیست ندارد.
- حرارت تولید شده در پیل به‌طور مجدد مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- پلاریزاسیون پیل قابل صرف‌نظر کردن است. با افزایش دما رسانایی یونی و الکترونی پیل افزایش می‌یابد.
- امکان تولید برق با بازدهی و توان بالا را داراست.
- مونوکسید کربن و گوگرد مسموم کننده الکترود‌های پیل سوختی اکسید جامد نیستند.
ازجمله معایب پیل سوختی اکسید جامد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- دمای بالا نیاز به استفاده از مواد با هزینه بالاتر و دارای محدودیت را ایجاد می‌کند.
- انرژی آزاد تولیدی این پیل در دمای 1000 درجه سانتی گراد کم‌تر از دمای 650 درجه سانتی گراد مربوط به پیل سوختی کربنات مذاب است. این کار موجب می‌گردد که پتانسیل مدار باز پیل سوختی اکسید جامد نسبت به پیل سوختی کربنات مذاب حدود 100 میلی ولت کم‌تر باشد.
- امکان نفوذ هیدروژن و اکسیژن به الکترولیت وجود دارد، که این مسئله باعث کاهش کارایی پیل سوختی می‌شود [7].
6- نتیجه‌گیری
در این مقاله انواع پیل‌های سوختی که شامل پیل سوختی قلیایی، اسید فسفریک کربنات مذاب، پلیمری و اکسید جامد می‌باشند، شرح داد شد. این دسته‌بندی بر اساس نوع الکترولیت است چون نوع الکترولیت یک پارامتر مهم برای تعیین دمای عملکردی پیل سوختی است. مزایا و معایب هرکدام از این پیل‌ها و همچنین دمای عملکردی آن‌ها به‌تفصیل شرح داده شد.
