پیل سوختی یا به عبارتی سلول سوختی (Fuel cell) مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است که این تبدیل مستقیم بوده و به آرامی و بدون احتراق خروجی بالایی دارد. هر سلول پیل سوختی از سه جزء آند، کاتد و الکترولیت و غشا تشکیل شده است.
پیل سوختی
پیل سوختی دارای انواع مختلفی است اما معروف ترین پیل سوختی پیل سوختی هیدورژنی است که به منظور تولید الکتریستیه هیدروژن از آب یا منابع هیدروکربنی دیگر نظیر گاز طبیعی، متانول یا محصولات نفتی گرفته، و با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می نماید. بنابراین میتوان گفت در این پیل از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید میشود. بر خلاف يک موتور معمولي، پيل‌سوختي بدون احتراق سوخت انرژي توليد مي‌نمايد و بنابراين مي‌تواند بسيار مؤثرتر و پاک‌تر باشد.
پیل سوختی چیست؟
اولین سلولهای سوختی در سال 1838 توسط سر ویلیام گروو (Sir William Grove) اختراع شدند و اولین استفاده تجاری از سلول های سوختی بیش از یک قرن بعد از اختراع سلول سوختی هیدروژن – اکسیژن توسط فرانسیس توماس بیکن (Francis Thomas Bacon) در سال 1932 انجام شد. سلول سوختی قلیایی هم همانند سلول سوختی بیکن پس از اختراع شناخته شد و از اواسط دهه 1960 در برنامه های فضایی ناسا به منظور تولید نیروی لازم برای ماهواره ها و کپسول های فضایی استفاده گردید. از آن زمان تا کنون از سلول های سوختی در صنایع و موارد مختلفی استفاده میشود؛ از جمله برای تولید انرژی اولیه و پشتیبانی انرژی لازم برای ساختمان های تجاری، صنعتی و مسکونی در مناطق دور افتاده و یا سوخت رسانی به وسایل نقلیه سلولی از جمله لیفتراک، اتومبیل، اتوبوس، قایق، موتور سیکلت و زیردریایی.
انواع مختلفی از سلول های سوختی وجود دارد، که همگی از یک آند، یک کاتد و یک الکترولیت تشکیل شده اند که به یون ها؛ که اغلب یون های هیدروژن با بار مثبت هستند (پروتون ها) اجازه می دهند بین دو طرف سلول سوخت حرکت کنند.
نحوه عملکرد پیل سوختی
در بخش آند، یک کاتالیزور باعث می شود که سوخت تحت عمل اکسیداسیون قرار بگیرد و یون ها (اغلب یون های هیدروژن با بار مثبت) و الکترون ها تولید شوند. یون ها از طریق الکترولیت از سمت آند به کاتد حرکت می کنند و در همان زمان، الکترون ها از آند به کاتد از طریق یک مدار خارجی جریان می یابند و الکتریسیته جریان مستقیم را تولید می کند.
در کاتد، یک کاتالیزور دیگر باعث واکنش یون ها، الکترون ها و اکسیژن می شود و آب و احتمالاً سایر محصولات را تشکیل می دهد. سلولهای سوختی بر اساس نوع الکترولیتی که در آنها بکار رفته است و تفاوت در زمان شروع کار آنها؛ از 1 ثانیه برای سلولهای سوختی غشای تبادل پروتون (سلولهای سوختی PEM یا PEMFC) تا 10 دقیقه برای سلولهای سوخت اکسید جامد، طبقه بندی می شوند. گفتنی است (SOFC) یک فناوری مرتبط جریان باتری ها است که در آن با شارژ مجدد می توان سوخت را تولید کرد.
سلولهای سوختی جداگانه پتانسیل های الکتریکی نسبتاً کمی را تولید می کنند؛ چیزی در حدود 0.7 ولت. بنابراین سلول ها “جمع شده” یا به صورت سری قرار می گیرند تا ولتاژ کافی برای پاسخگویی به نیازهای یک برنامه را ایجاد کنند. علاوه بر برق، سلول های سوختی، آب، گرما و بسته به منبع سوخت، مقادیر بسیار کمی دی اکسید نیتروژن و سایر آلایندگی ها تولید می کنند. بازده انرژی یک سلول سوختی به طور کلی بین 40-60 است. اما اگر گرمای زباله در یک طرح تولید، همزمان جذب شود می توان بازده حداکثر 85٪ را بدست آورد.
امروزه بازار باتری های سلول سوختی در حال رشد و ترقی است و در سال 2013 در تحقیق Pike تخمین زده شد که بازار سلول سوختی پایدار تا سال 2020 به 50 GW خواهد رسید.
انواع پیل سوختی
پيل‌های سوختي بر اساس نوع الکتروليت به کار رفته در آنها طبقه‌بندی مي‌شوند که معروف‌ترين انواع آنها قليايي، کربنات مذاب، اسيد فسفريک، پليمری، اکسيد جامد، متانولی است و در وسايل نقليه معمولا از پيل‌های سوختي پليمری استفاده میگردد. انواع ديگر پيل‌های سوختي هم برای کاربردهای نيروگاهي و توليد گرما و الکتريسيته در ساختمان‌ها قابل استفاده هستند.
طبقه بندی رایج پیلهای سوختی بر اساس نوع الکترولیت آنها می باشد که عبارتست از: پیل سوختی پلیمری (PEMFC)، پیل سوختی قلیایی (AFC)، پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)، پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)، پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) و پیل سوختی متانولی (DMFC).
مزایای پیل سوختی
از نظر زیست محیطی در پیل های سوختی آلاینده های تولیدی بسیار اندک است و همانطور که قبلا اشاره شد بازده سوختی بسیار بالا و قابل دستیابی است. همچنین پیل های سوختی با انواع مختلفی از سوخت ها قادر به کار میباشند. علاوه بر این در این پیل ها به دلیل اینکه از واکنش های الکتروشیمیایی در تولید الکتریسیته استفاده میکنند هیچ بخش متحرکی استفاده نشده است و به همین خاطر از لحاظ عملکردی ساده، بدون صدا و قابل اطمینان هستند.
تفاوت پیل سوختی و باتری
باتری ها و پیل های سوختی از نظر تولید نیروی الکتریکی دارای عملکرد مشابهی هستند و هر دو از طریق واکنش شیمیایی این نیرو را به دست می آورند. در باتری واکنشگرهای شیمیایی در باتری ذخیره شده اند و این مواد در طول واکنش ها مورد استفاده قرار میگیرند و مجددا باتری باید شارژ شود و یا اگر باتری غیرقابل شارژ باشد دور انداخته شود. اما در پیل سوختی، واکنشگرها یا همان سوخت ها در بیرون پیل ذخیره میشوند، بنابراین تولید الکتریسیته تا زمانی که سوخت تامین شود ادامه خواهد داشت. به عنوان مثال یک خودروی پیل سوختی به جای شارژ مجدد نیازمند سوختگیری است.