پیل سوختی انواع آن و کاربرد‌ آن‌ها

در میان سیستم‌های انرژی تجدید پذیر پیل‌های سوختی یکی از امید‌های رسیدن به انرژی پاک می باشند. اما انواع این پیل‌های سوختی چگونه و بر چه اساسی دسته بندی میشوند؟ در درجه اول پیل‌های سوختی بر اساس الکترولیت مورد استفاده طبقه بندی می‌شوند. این طبقه بندی نوع واکنش‌های الکتروشیمیایی، نوع کاتالیزورهای مورد نیاز، محدوده دمایی، سوخت مورد نیاز و عوامل دیگر را تعیین می‌کند. این ویژگی‌ها، به نوبه خود، بر کاربردهایی که این پیل‌های سوختی برای آنها مناسب تر هستند، تأثیر می‌گذارد. در حال حاضر انواع مختلفی از پیل‌های سوختی در دست توسعه هستند که هر کدام مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای بالقوه خود را دارند.

پیل‌های سوختی غشایی الکترولیت پلیمری (PEM)

پیل‌های سوختی غشای الکترولیت پلیمری (PEM) که پیل‌های سوختی غشایی تبادل پروتون نیز نامیده می‌شوند، چگالی توان بالایی را ارائه می‌کنند و مزایایی همچون وزن و حجم کم را در مقایسه با سایر پیل‌های سوختی ارائه می‌دهند. پیل‌های سوختی PEM از یک پلیمر جامد به عنوان الکترولیت و الکترودهای کربن متخلخل حاوی کاتالیزور پلاتین یا آلیاژ پلاتین استفاده می‌کنند. این پیل‌های سوختی فقط به هیدروژن، اکسیژن هوا و آب نیاز دارند. سوخت آنها معمولاً با هیدروژن خالص تامین شده از مخازن ذخیره سازی یا ریفورمر‌ها تامین می‌شود.

پیل‌های سوختی PEM در دمای نسبتاً پایین، حدود ۸۰ درجه سانتیگراد (۱۷۶ درجه فارنهایت) کار می‌کنند. کار در دمای پایین به آنها اجازه می‌دهد تا سریع شروع به کار کرده (زمان گرم شدن کمتر) و منجر به سایش کمتر اجزای سیستم و در نتیجه دوام بیشتر سیستم می‌شود. با این حال، نیاز به استفاده از یک کاتالیزور فلز نجیب (معمولاً پلاتین) برای جداسازی الکترون‌ها و پروتون‌های هیدروژن داشته که به هزینه سیستم می‌افزاید. کاتالیزور پلاتین نیز به شدت به مسمومیت با مونوکسید کربن حساس است، بنابراین اگر هیدروژن از سوخت هیدروکربنی مشتق شده باشد، لازم است از یک راکتور اضافی برای کاهش مونوکسید کربن در گاز سوخت استفاده شود. این راکتور همچنین هزینه‌ای به سیستم اضافه می‌کند.

پیل‌های سوختی PEM عمدتاً برای کاربردهای حمل و نقل و برخی کاربردهای ثابت استفاده می‌شوند (نصب در یک ساختمان یا یک زمین). پیل های سوختی PEM به ویژه برای استفاده در کاربردهای وسایل نقلیه مانند اتومبیل، اتوبوس و کامیون‌های سنگین مناسب هستند.

پیل‌های سوختی متانول مستقیم (DMFC)

سوخت بیشتر پیل‌های سوختی توسط هیدروژن تامین می‌شود که می‌تواند مستقیماً به سیستم پیل سوختی وارد شود یا با اصلاح سوخت‌های غنی از هیدروژن مانند متانول، اتانول و سوخت‌های هیدروکربنی در سیستم پیل سوختی تولید شود. با این حال، پیل‌های سوختی متانول مستقیم (DMFC) از متانول خالص تغذیه می‌شوند که معمولاً با آب مخلوط می‌شود و مستقیماً به آند پیل سوختی می‌رسد.

پیل‌های سوختی متانول مستقیم بسیاری از مشکلات ذخیره ‌سازی سوخت رایج در برخی از سیستم‌های پیل سوختی را ندارند، زیرا متانول چگالی انرژی بالاتری نسبت به هیدروژن دارد، هرچند کمتر از بنزین یا سوخت دیزل است. همچنین حمل و نقل و عرضه متانول برای عموم با استفاده از زیرساخت های فعلی آسان تر است زیرا مانند بنزین مایع است. پیل‌های سوختی متانول مستقیم اغلب به صورت پیل سوختی جهت تامیین انرژی وسیال قابل حمل مانند تلفن های همراه یا  لپ تاپ استفاده می‌شوند.

پیل‌های سوختی قلیایی (AFC)

پیل‌های سوختی قلیایی (AFC) یکی از اولین فناوری‌های پیل سوختی توسعه‌ یافته بودند و اولین نوع از پیل‌های سوختی بودند که به صورت گسترده در برنامه فضایی ایالات متحده برای تولید انرژی الکتریکی و آب در فضاپیما مورد استفاده قرار گرفتند. این پیل‌های سوختی از محلول هیدروکسید پتاسیم در آب به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند و می‌توانند از انواع فلزات غیر گرانبها به عنوان کاتالیزور در آند و کاتد استفاده کنند. در سال های اخیر، پیل‌های سوختی قلیایی‌های جدیدی که از غشای پلیمری به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند، توسعه یافته‌اند. این پیل‌های سوختی ارتباط نزدیکی با پیل های سوختی PEM معمولی دارند، با این تفاوت که به جای غشای اسیدی از غشای قلیایی استفاده می‌کنند. عملکرد بالای پیل‌های سوختی قلیایی به دلیل سرعت انجام واکنش‌های الکتروشیمیایی در سلول است. آنها همچنین راندمان بالای ۶۰ درصد را در کاربردهای فضایی نشان ثبت کرده‌اند.

یک چالش کلیدی برای این نوع پیل سوختی این است که مستعد مسمومیت با دی اکسید کربن است. در واقع، حتی مقدار کمی دی اکسید کربن در هوا می‌تواند به طور چشمگیری بر عملکرد و دوام سلول به دلیل تشکیل کربنات تأثیر بگذارد. پیل‌های قلیایی با الکترولیت‌های مایع را می‌توان در حالت چرخشی (سیرکولیشن) اجرا کرد، که امکان بازسازی الکترولیت را برای کمک به کاهش اثرات تشکیل کربنات در الکترولیت فراهم می‌کند، اما حالت چرخشی مشکلاتی را با جریان‌های شنت ایجاد می‌کند. سیستم‌های الکترولیت مایع نیز از نگرانی‌های اضافی از جمله ترشوندگی، افزایش خوردگی و مشکلات مدیریت فشارهای تفاضلی (اختلاف فشار در دو طرف الکترولیت) رنج می‌برند. پیل‌های سوختی قلیایی غشای جامد این نگرانی‌ها را برطرف می‌کنند و نسبت به پیل‌های سوختی قلیایی با الکترولیت مایع حساسیت کمتری نسبت به مسمومیت با دی اکسید کربن دارند. با این حال، دی اکسید کربن هنوز بر عملکرد تأثیر می‌گذارد، و راندمان و دوام پیل سوختی قلیایی هنوز نسبت به پیل سوختی پلیمری عقب است. پیل‌های سوختی قلیایی برای کاربردهایی در مقیاس چند وات تا کیلووات در نظر گرفته می‌شوند. چالش‌های پیل‌های سوختی قلیایی شامل حساسیت به دی اکسید کربن، رسانایی و دوام غشاء، عملکرد دمای بالاتر، مدیریت آب، چگالی توان و الکتروکاتالیز آند است.

پیل‌های سوختی اسید فسفریک (PAFC)

پیل‌های سوختی اسید فسفریک (PAFC) از اسید فسفریک مایع به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند. این اسید در یک ماتریس کاربید سیلیکون متصل به تفلون وجود دارد و الکترودهای کربن متخلخل حاوی یک کاتالیزور پلاتین هستند.

پیل‌های سوختی اسید فسفریک به عنوان نسل اول پیل‌های سوختی مدرن در نظر گرفته می‌شود. این یکی از بالغ ترین انواع پیل و از اولین موارد استفاده تجاری است. این نوع پیل سوختی معمولاً برای تولید برق ثابت استفاده میشود، اما برخی از پیل‌های سوختی اسید فسفریک برای تامین انرژی وسایل نقلیه بزرگ مانند اتوبوس‌های شهری استفاده می‌شوند.

پیل‌های سوختی اسید فسفریک نسبت به سلول های PEM که به راحتی توسط مونوکسید کربن مسموم می شوند، نسبت به ناخالصی‌های موجود در سوخت های فسیلی که به هیدروژن تبدیل شده‌اند، تحمل بیشتری دارند زیرا مونوکسید کربن به کاتالیزور پلاتین در آند متصل شده و راندمان پیل سوختی را کاهش می دهد. پیل‌های سوختی اسید فسفریک زمانی که برای تولید الکتریسیته و گرما استفاده می‌شوند راندمان بیش از ۸۵ درصد داشته اما در تولید الکتریسیته به تنهایی راندمان کمتری دارند (۳۷ تا ۴۲ درصد). راندمان پیل‌های سوختی اسید فسفریک فقط اندکی بیشتر از نیروگاه های مبتنی بر احتراق است که معمولاً با راندمان حدود ۳۳ درصد کار می‌کنند. همچنین با توجه به وزن و حجم یکسان، پیل‌های سوختی اسید فسفریک نسبت به سایر پیل‌های سوختی قدرت کمتری دارند. در نتیجه، این پیل‌های سوختی معمولاً بزرگ و سنگین هستند. پیل‌های سوختی اسید فسفریک نیز گران هستند. آنها به بارگذاری بسیار بالاتری از کاتالیزور پلاتین گران قیمت نسبت به سایر انواع پیل‌های سوختی نیاز دارند که هزینه را افزایش می‌دهد.