پیل سوختی Fuel Cell دستگاهی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت، معمولاً هیدروژن، را مستقیماً به برق تبدیل می‌کند. این فناوری از طریق واکنش شیمیایی کنترل‌شده بین هیدروژن و اکسیژن (یا عامل اکسیدکننده دیگر) برق تولید می‌کند، و برخلاف موتورهای احتراق داخلی، بدون تولید آلاینده‌های مضر عمل می‌کند. محصول جانبی اصلی آن آب یا بخار است، که آن را به گزینه‌ای پاک برای تولید انرژی تبدیل می‌کند. پیل‌های سوختی با راندمان بالا (40 تا 60 درصد) و قابلیت مقیاس‌پذیری در کاربردهای کوچک و بزرگ، از دستگاه‌های قابل حمل تا نیروگاه‌ها، استفاده می‌شوند.
پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی سیستمی است که از واکنش شیمیایی مداوم برای تولید برق استفاده می‌کند و شامل یک آند، کاتد و الکترولیت است. سوخت (معمولاً هیدروژن) در آند اکسید می‌شود و اکسیژن در کاتد کاهش می‌یابد، که جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. برخلاف باتری‌ها که انرژی را ذخیره می‌کنند، پیل‌های سوختی تا زمانی که سوخت و اکسیدکننده تأمین شوند، برق تولید می‌کنند. این فناوری در خودروهای هیدروژنی مانند تویوتا میرای، فضاپیماها و حتی نیروگاه‌های ثابت کاربرد دارد. پیل‌های سوختی به دلیل عدم تولید CO2 در حین کار، به‌عنوان جایگزینی پاک برای سوخت‌های فسیلی شناخته می‌شوند.
انواع پیل سوختی و کاربردهای آن‌ها
| نوع پیل سوختی | دمای عملکرد | کاربرد اصلی |
|---|---|---|
| PEMFC (پیل سوختی غشای پروتونی) | 50–100°C | خودروها، سیستم‌های پشتیبان برق |
| SOFC (اکسید جامد) | 600–1000°C | نیروگاه‌های برق، کاربردهای صنعتی |
| MCFC (کربنات مذاب) | 600–700°C | تولید برق در مقیاس بالا |
| AFC (قلیایی) | 60–90°C | فضاپیماها، مصارف خاص |
| PAFC (اسید فسفریک) | 150–220°C | ساختمان‌ها، بیمارستان‌ها |
پیل‌های سوختی بر اساس نوع الکترولیت و سوخت به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند:
- پیل سوختی پلیمری (PEMFC): برای خودروها و دستگاه‌های قابل حمل با دمای پایین (60-80°C) مناسب است.
- پیل سوختی اکسید جامد (SOFC): برای نیروگاه‌های ثابت با دمای بالا (600-1000°C) استفاده می‌شود.
- پیل سوختی قلیایی (AFC): در فضاپیماها به دلیل راندمان بالا (70%) کاربرد دارد.
- پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC): برای تولید برق در مقیاس بزرگ با دمای 600-700°C مناسب است.
- پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC): در بیمارستان‌ها و مراکز تجاری استفاده می‌شود. هر نوع برای کاربردهای خاص بهینه شده است.
ساختار فیزیکی یک پیل سوختی
یک پیل سوختی از سه بخش اصلی تشکیل شده است: آند، کاتد و الکترولیت. آند و کاتد معمولاً از مواد متخلخل مانند کربن با کاتالیزور (مانند پلاتین) ساخته می‌شوند، و الکترولیت می‌تواند مایع (مانند پتاسیم هیدروکسید در AFC) یا جامد (مانند سرامیک در SOFC) باشد. این اجزا در یک پشته (stack) کنار هم قرار می‌گیرند تا ولتاژ و توان افزایش یابد. صفحات دوقطبی (bipolar plates) جریان الکتریکی را هدایت کرده و سوخت و اکسیژن را توزیع می‌کنند. طراحی فشرده و مقاوم در برابر دما و فشار، عملکرد پایدار را تضمین می‌کند.
واکنش‌های شیمیایی درون پیل سوختی
در یک پیل سوختی پلیمری (PEMFC)، واکنش‌های شیمیایی به این صورت است: در آند، هیدروژن (H₂) به دو پروتون (H⁺) و دو الکترون (e⁻) تجزیه می‌شود: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻. الکترون‌ها از طریق مدار خارجی جریان الکتریکی تولید می‌کنند، در حالی که پروتون‌ها از الکترولیت عبور می‌کنند. در کاتد، اکسیژن (O₂) با پروتون‌ها و الکترون‌ها ترکیب شده و آب تولید می‌کند: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O. واکنش کلی 2H₂ + O₂ → 2H₂O است که برق، گرما و آب تولید می‌کند. این فرآیند بدون احتراق و با حداقل اتلاف انرژی انجام می‌شود.
بررسی اجزای اصلی سلول سوختی
| جزء | کارکرد |
|---|---|
| آند (Anode) | اکسیداسیون سوخت (معمولاً هیدروژن) و آزادسازی الکترون‌ها |
| کاتد (Cathode) | پذیرش الکترون‌ها و ترکیب با اکسیژن برای تولید آب |
| الکترولیت (Electrolyte) | انتقال یون‌ها بین آند و کاتد بدون عبور الکترون‌ها |
| غشاء (Membrane) | جداکننده فیزیکی آند و کاتد و انتقال یون‌ها |
| صفحات جریان‌دهی (Flow Plates) | توزیع یکنواخت سوخت و اکسیژن در سطح الکترودها |
- آند: محل اکسیداسیون سوخت، معمولاً با کاتالیزور پلاتین برای تسریع واکنش
- کاتد: محل کاهش اکسیژن، با ساختار متخلخل برای تماس بهتر با گاز
- الکترولیت: ماده‌ای که یون‌ها را منتقل می‌کند (مانند غشای پلیمری در PEMFC یا سرامیک در SOFC)
- صفحات دوقطبی: جریان الکتریکی را هدایت کرده و گازها را توزیع می‌کنند، اغلب از گرافیت یا فلز ساخته می‌شوند
- کاتالیزور: معمولاً پلاتین یا آلیاژهای نیکل، واکنش‌ها را سرعت می‌بخشد
تفاوت سلول سوختی با باتری‌های سنتی
پیل‌های سوختی برخلاف باتری‌های سنتی (مانند لیتیوم-یون) انرژی را ذخیره نمی‌کنند، بلکه با تأمین مداوم سوخت و اکسیژن، برق تولید می‌کنند. باتری‌ها پس از تخلیه نیاز به شارژ دارند، اما پیل‌های سوختی تا زمانی که سوخت موجود باشد، کار می‌کنند. پیل‌های سوختی راندمان بالاتری (40-60%) نسبت به باتری‌ها (20-30% در تبدیل انرژی) دارند و برای کاربردهای طولانی‌مدت مناسب‌ترند. با این حال، پیل‌های سوختی به زیرساخت سوخت‌رسانی (مانند هیدروژن) وابسته‌اند و هزینه اولیه بالاتری دارند، در حالی که باتری‌ها ساده‌تر و گسترده‌تر هستند.
مزایا و معایب استفاده از سلول سوختی
مزایای پیل‌های سوختی شامل راندمان بالا (تا 60%)، عدم تولید CO2 در حین کار، و قابلیت استفاده در کاربردهای متنوع (خودرو، فضا، نیروگاه) است. آن‌ها بی‌صدا هستند و سوخت‌گیری سریع‌تری (3-5 دقیقه برای خودروهای هیدروژنی) نسبت به شارژ باتری دارند. معایب شامل هزینه بالای تولید (به دلیل استفاده از پلاتین)، زیرساخت محدود هیدروژن، و وابستگی به تولید هیدروژن از منابع فسیلی است که می‌تواند آلایندگی ایجاد کند. همچنین، دوام پیل‌های سوختی (5000-10,000 ساعت) کمتر از موتورهای احتراق داخلی است.
عملکرد سلول سوختی چگونه است؟
پیل سوختی با دریافت سوخت (معمولاً هیدروژن) و اکسیژن، جریان الکتریکی تولید می‌کند. هیدروژن در آند اکسید شده و الکترون‌ها از طریق مدار خارجی به کاتد جریان می‌یابند، در حالی که پروتون‌ها از الکترولیت عبور می‌کنند. در کاتد، اکسیژن با الکترون‌ها و پروتون‌ها ترکیب شده و آب تولید می‌کند. این فرآیند در دمای عملیاتی خاص (مانند 80°C برای PEMFC یا 800°C برای SOFC) انجام می‌شود و با کاتالیزورهایی مانند پلاتین تسریع می‌شود. راندمان بالا و تولید گرمای قابل استفاده، عملکرد آن را برای کاربردهای ترکیبی (برق و گرما) بهینه می‌کند.
سلول سوختی در خودروهای هیدروژنی
پیل‌های سوختی پلیمری (PEMFC) در خودروهای هیدروژنی مانند تویوتا میرای، هیوندای نکسو و هوندا کلاریتی استفاده می‌شوند. این خودروها هیدروژن را در مخازن 700 بار ذخیره کرده و از پیل سوختی برای تولید برق (تا 114 کیلووات در میرای) استفاده می‌کنند که موتور الکتریکی را تغذیه می‌کند. برد این خودروها (تا 647 کیلومتر در میرای) و سوخت‌گیری سریع (3-5 دقیقه) آن‌ها را برای سفرهای طولانی مناسب می‌کند. با این حال، زیرساخت محدود هیدروژن و هزینه سوخت (حدود 36 دلار به ازای هر کیلوگرم) استفاده را به مناطقی مانند کالیفرنیا محدود کرده است.
آیا پیل سوختی آینده انرژی جهان است؟
پیل‌های سوختی پتانسیل بالایی برای تأمین انرژی پاک دارند، به‌ویژه در بخش‌هایی مانند حمل‌ونقل سنگین، هوافضا و تولید برق ثابت. راندمان بالا و عدم تولید آلاینده در حین کار، آن‌ها را به جایگزینی جذاب برای سوخت‌های فسیلی تبدیل می‌کند. با این حال، چالش‌هایی مانند هزینه تولید هیدروژن سبز، زیرساخت محدود، و رقابت با باتری‌های لیتیوم-یون مانع پذیرش گسترده شده است. گزارش آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) پیش‌بینی می‌کند که تا سال 2050، پیل‌های سوختی 2.5 درصد از تقاضای انرژی جهانی را تأمین کنند، مشروط بر گسترش هیدروژن سبز.
مقایسه سلول سوختی با انرژی الکتریکی خورشیدی
پیل‌های سوختی و انرژی خورشیدی هر دو فناوری‌های پاک هستند، اما تفاوت‌های کلیدی دارند. پیل‌های سوختی برق را به‌صورت مداوم (با تأمین سوخت) تولید می‌کنند، در حالی که پنل‌های خورشیدی به نور خورشید وابسته‌اند و نیاز به ذخیره‌سازی باتری دارند. راندمان پیل‌های سوختی (40-60%) بالاتر از پنل‌های خورشیدی (15-22%) است، اما تولید هیدروژن می‌تواند انرژی‌بر باشد (تا 825 وات‌ساعت به ازای هر مایل در خودروهای FCEV). خورشیدی هزینه اولیه کمتری دارد و زیرساخت گسترده‌تری ارائه می‌دهد، اما پیل‌های سوختی برای کاربردهای سنگین و مداوم مناسب‌ترند.
تاریخچه سلول سوختی؛ از اختراع تا پیشرفت
پیل سوختی اولین بار در سال 1839 توسط سر ویلیام گروو (William Grove) اختراع شد، که با ترکیب هیدروژن و اکسیژن برق تولید کرد. در دهه 1960، ناسا از پیل‌های سوختی قلیایی در مأموریت‌های آپولو برای تأمین برق و آب استفاده کرد. پیل‌های سوختی پلیمری در دهه 1980 توسعه یافتند و در دهه 2000 در خودروهای هیدروژنی مانند تویوتا FCHV به کار رفتند. تا سال 2023، ظرفیت جهانی پیل‌های سوختی به 2.2 گیگاوات رسید، با تمرکز بر PEMFC و SOFC. پیشرفت‌های اخیر در کاهش هزینه پلاتین و افزایش دوام، پذیرش آن را تسریع کرده است.
نقش پیل سوختی در صنعت هوافضا
پیل‌های سوختی در هوافضا برای تأمین برق و آب در فضاپیماها و پهپادها استفاده می‌شوند. ناسا در مأموریت‌های آپولو از پیل‌های سوختی قلیایی (AFC) با توان 1.5 کیلووات استفاده کرد که برق و آب آشامیدنی تولید می‌کردند. امروزه، پهپادهای هیدروژنی با پیل‌های سوختی (مانند HyFlyer II) برد 750 کیلومتر و پرواز 10 ساعته ارائه می‌دهند، در مقایسه با 2-3 ساعت برای پهپادهای باتری‌دار. شرکت‌هایی مانند ZeroAvia هواپیماهای هیدروژنی با پیل‌های سوختی برای پروازهای کوتاه‌مسافت تا سال 2026 توسعه می‌دهند، که آلایندگی صفر را هدف قرار داده‌اند.
مقایسه راندمان پیل سوختی با دیزل
پیل‌های سوختی راندمان انرژی بالاتری (40-60%) نسبت به موتورهای دیزل (25-35%) دارند، به‌ویژه در بارهای جزئی. دیزل در تبدیل سوخت به کار مکانیکی انرژی بیشتری به‌صورت گرما از دست می‌دهد، در حالی که پیل‌های سوختی گرمای کمتری تولید می‌کنند و برای تولید ترکیبی برق و گرما (CHP) مناسب‌اند. پیل‌های سوختی هیچ‌گونه NOx یا ذرات معلق تولید نمی‌کنند، برخلاف دیزل که آلاینده‌های زیست‌محیطی بالایی دارد. با این حال، هزینه اولیه پیل‌های سوختی (حدود 4000 دلار به ازای هر کیلووات) بالاتر از دیزل (500-1000 دلار به ازای هر کیلووات) است.
سلول سوختی در پروژه‌های ناسا
ناسا از دهه 1960 از پیل‌های سوختی در مأموریت‌های فضایی استفاده کرده است. در برنامه آپولو، پیل‌های سوختی قلیایی با توان 1.5 کیلووات برق و آب آشامیدنی تأمین کردند. در شاتل‌های فضایی، پیل‌های سوختی 12 کیلووات برق تولید کردند و 700 لیتر آب در هر مأموریت فراهم کردند. ناسا اکنون روی پیل‌های سوختی پلیمری و اکسید جامد برای مأموریت‌های آینده مانند آرتمیس تحقیق می‌کند. پروژه X-57 Maxwell از پیل‌های سوختی برای پرواز الکتریکی استفاده می‌کند، که وزن را کاهش داده و برد را افزایش می‌دهد. این فناوری برای پایگاه‌های قمری نیز در نظر گرفته شده است.
سوخت مورد استفاده در سلول سوختی چیست؟
سوخت اصلی پیل‌های سوختی هیدروژن (H₂) است، اما برخی انواع از متانول، متان یا آمونیاک استفاده می‌کنند. هیدروژن به دلیل چگالی انرژی بالا (120 مگاژول به ازای هر کیلوگرم) و تولید آب به‌عنوان تنها محصول جانبی، رایج‌ترین سوخت است. در PEMFC، هیدروژن خالص (99.99%) مورد نیاز است، اما SOFC و MCFC می‌توانند از گاز طبیعی یا بیوگاز با اصلاح داخلی (internal reforming) استفاده کنند. اکسیژن معمولاً از هوای محیط تأمین می‌شود، اما در فضا از مخازن اکسیژن مایع استفاده می‌شود. تولید هیدروژن سبز از طریق الکترولیز با انرژی تجدیدپذیر، کلید کاهش اثرات زیست‌محیطی است.
منبع: ابرار صنعتی
