یک سلول سوختی (Fuel cell) از طریق یک واکنش شیمیایی و بدون احتراق، برق تولید می‌کند. این سلول هیدروژن و اکسیژن را به آب تبدیل کرده و در طول این فرآیند تولید برق می‌کند. در واقع این سلول یک دستگاه مبدل انرژی الکتریکی است که برق، آب و گرما تولید می‌کند.

 طبقه بندی رایج پیل های سوختی بر اساس نوع الکترولیت آن ها می باشد که عبارتست از :

• PEMFC پیلسوختیپلیمری
• AFC پیلسوختیقلیایی
• PAFCپیلسوختیاسیدفسفریک
• MCFCپیلسوختیکربناتمذاب
• SOFCپیلسوختیاکسیدجامد
• DMFCپیلسوختیمتانولی

۱. پیل سوختی غشاء پروتون(PEMFC )

پیلهای سوختی غشاء پروتون دارای غشاء پلیمری جامد هستند که در حال حاضر عمدتًا غشاء    Nafion دراین پیل سوختی بکار برده م ی شود و به شکل یک ورقه باریک منعطف است. این غشاء کوچک و سبک بوده و در دمای پایین کار می کند )دمای کارکرد بهینه در حدود ٨٥ درجه سانتیگراد است. ( سایر الکترولیتهای جامد در دمای بالا کار می کنند. شکل زیر یک الکترولیت غشاء پروتون را به ما نشان می دهد.

  این کاتالیست موجب افزایش قیمت پیل سوختی م ی شود؛ اما بدلیل جامد بودن الکترولیت پیل سوختی وهمچنین انعطاف پذیر بودن این الکترولیت، امکان شکستن یا ترک خوردن در آن کم است و این مشخصه، پیلسوختیPEMرا برای کاربردهای خانگی و کاربردهای حمل و نقلی مناسب می کند. در پیل سوختی نوعPEMاتمهای هیدروژن در آند یونیزه می شوند و الکترونهای آنها جدا می شود. یونهای هیدروژن که شامل بار مثبت هستند، به سطح غشاء خلل دار نفوذ می کند و بسمت کاتد می روند؛ الکترونهای جدا شده نمی توانند از این غشاء عبور کنند و از یک مدار خارجی عبور می کنند و موجب تولید برق می شوند. در کاتد الکترونها، پروتونهای هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند. پیل سوختی PEM نیازمند هیدروژن خالص است؛ بنابراین باید از یک رفورمر در خارج از پیل سوختی استفاده کنیم تا احتمال بوجود آمدن CO و در نتیجه مسمومیت کاتالیست را کاهش دهیم.

واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بشرح ذیل است :

مزایای پیل سوختی غشاء پروتون:

• دمایپایینوشروعبکارسریع
• عدمحساسیتبهدیاکسیدکربن
• امکاناستفادهازگازهایمشتقازهیدروکربنبعنوانسوخت

معایب پیل سوختی غشاء پروتون:

• حساسیتبهمونواکسیدکربن
• بکارگیریفلزاتکمیابدرساختمانپیل
• پیچیدهبودنسیستممدیریتآبدرمجموعهغشاءوالکترود

۲. پیل سوختی قلیایی(AFC)

پیل سوختی قلیایی با هیدروژن و اکسیژن خالص کار می کند و از محلول هیدروکسید پتاسیم در آب بعنوان الکترولیت استفاده می کنند و الکترود آند آن از جنس نیکل و الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده می باشد. درجه حرارت کارکرد این پیل پایین بوده و بین ٦٠ تا ٨٠ درجه سانتیگراد می باشد. در این پیل سوختی یونهای هیدروکسیل OH− از سمت کاتد به آند رفته و در آند گاز هیدروژن با یونهای هیدروکسیل واکنش داده و آب و الکترون را ایجاد می کند. الکترونهای بوجود آمده در آند توسط یک مدارخارجی، توان الکتریکی تولید می کند و از طریق این مدار خارجی، الکترونها به کاتد باز می گردد. الکترونها در کاتد با اکسیژن و آب واکنش می دهند و موجب تشکیل یونهای هیدروکسیل بیشتری می شوند. این یونهادرون الکترولیت نفوذ کرده و واکنش ادامه پیدا می کند.

مزایای پیل سوختی قلیایی(AFC):

• عدمنیازبهفلزاتکمیاب
• بالابودنراندمان

معایب پیل سوختی قلیایی(AFC):

• حساسیتشدیدبهدیاکسیدکربن
• لزوماستفادهازهیدروژنخالص

پیل سوختی قلیایی از میزان آلودگی کمی برخوردار است و بخاطر احتمال واکنشهای ناخواسته در این پیل نیاز به هیدروژن خالص شده داریم و در صورتی که هیدروژن خالص نباشد موجب واکنشهای شیمیایی اضافی و ایجاد کربنات جامد می شود که این ماده در واکنشهای پیل سوختی اختلال ایجاد می کند. مشکل دیگر پیل سوختی قلیایی میزان زیاد پلوتونیم است که بعنوان کاتالیست از آن استفاده می شود. این کاتالیست قیمت زیادی دارد و پیل سوختی قلیایی را برای کاربردهای عادی نامناسب می کند و از آنجایی که احتمال نشت الکترولیت مایع نیز ممکن است؛ بنابراین برای کاربردهای حمل و نقلی مناسب نیست . عملکرد یک پیل سوختی قلیایی را در شکل می بینید.

عملکرد یک پیل سوختی قلیایی

۳. پیل سوختی اسید فسفریک(PAFC)

پیل سوختی اسید فسفریک در دمای حدود ١٥٠ تا ٢٠٠ درجه سانتیگراد کار می کند و از الکترولیت اسید فسفریک استفاده می کند و الک ترودهای پیلهای سوختی اسید فسفریک از جنس پلاتین می باشد که بر روی سطح پودر کربن فعال نشانده شده است . در این نوع پیل سوختی از سوختهای بیشتری می توان استفاده کرد . عملکرد پیل سوختی اسید فسفریک به این ترتیب است که یونهای هیدروژن مثبت توسط الکترود از آند به کاتد می روند و الکترونهای بوجود آمده در آند از طریق یک مدار خارجی عبور می کند و برق تولید می کند و به کاتد برمی گردد. واکنشهای انجام شده در این پیل عبارتست از:

مزایای پیل سوختی اسید فسفریک(PAFC):

• توانتحمل١تا٢درصدمونواکسیدکربن
• امکاناستفادهدرمولدهای)تولیدهمزمانبرقوحرارت(
• ثباتالکترولیتدرمحیطالکتروشیمیایی
• سادگیسیستممدیریتآبودما

معایب پیل سوختی اسید فسفریک(PAFC):

• کمبودنسرعتاحیاءاکسیژن
• H۲Sحساسیتبه

عملکرد یک پیل سوختی اسیدفسفریک

 در کاتد الکترونها، یونهای هیدروژن و اکسیژن آب بوجود می آورند که با فشار به بیرون پیل سوختی هدایت  می شود. با وجود کاتالیست پلوتنیم سرعت واکنشها بالا می رود.از مزایای پیل سوختی اسید فسفریک می توان به توان تحمل پیل سوختی در قبال میزان کمی از مونوکسید کربن و همین طور توانایی تحمل دمای بالای دمای جوش آب را دارد.  این پیل سوختی اجزایی با مقاومت بالا باید داشته باشد تا در مقابل خورندگی اسید مقاومت کند. هیدروژن مورد نیاز برای PAFC می تواند یک Reformer خارجی از یک سوخت هیدروکربنی بوجود بیاید در صورتی که سوخت مورد نظر گازوئیل باشد، سولفور آن باید جدا شود . زیرا سولفور به کاتالیست الکترودها صدمه می زند. می توان از گرمای بوجود آمده درPAFC ها در کاربرد 

۴. پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)

در پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)الکترولیت ترکیب ٣٢ % درصد کربنات پتاسیم و ٦٨ % درصد کربنات لیتیم می باشد. الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده و الکترود آند از جنس آلیاژ نیکل  کروم(٢ تا ١٠ درصد کروم ) است. درجه حرارت کارکرد ٦٥٠ درجه سانتیگراد و جزء پیلهای سوختی با دمای کارکرد بالا بشمار می آید. در آند، هیدروژن با این یونها واکنش می دهد و دی اکسیدکربن، آب و الکترون تشکیل می دهد. الکترونها توسط یک مدار خارجی از آند به کاتد منتقل می شود و برق تولید می کند. اکسیژن هوا، دی اکسیدکربن بازیافت شده از آند با الکترونها واکنش داده و یونهای CO۳۲− را بوجود می آورد والکترولیت را سرشار از یونها CO۳۲- می کند.

مزایای پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC):

• امکانبکارگیریدرمولدهایدومنظوره
• عدماستفادهازکاتالیستگرانقیمت
• راندمانبالا

معایب پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC):

• حساسیتزیادبهسولفور
• حلشدناکسیدنیکل
• احتیاجبهچرخهدیاکسیدکربن

پیل سوختی کربنات مذاب، (MCFC) دما بالا می توانند هیدروژن را از سوختهای مختلف توسط رفورمرداخلی یا خارجی استخراج کند؛ بعلاوه حساسیت کمتری نسبت به مسمومیت مونوکسیدکربن دارند. MCFC ها با کاتالیستهای نیکلی بسیار خوب کار می کنند و کاتالیستهای نیکلی ارزانتر،پلوتینم هستند. از گرمای خروجی پیل سوختی می توان برای کارهای صنعتی استفاده نمود.

عملکرد پیل سوختی کربنات مذاب

پیل سوختی کربنات در مقا یسه با پیل سوختی اکسید جامد دارای دو مشکل است؛ یکی از این مشکلات پیچیدگی کار با الکترولیت مایع است و دومین مشکل باقیمانده های واکنش شیمیایی در پیل سوختی کربنات مذاب است . یون های کربنات الکترولیت در واکنشهای آند استفاده می شوند؛ بنابراین نیاز داریم که توسط تزریق دی اکسید کربن در کاتد، این مقدار را جبران کنیم.

۵. پیل سوختی اکسید جامد(SOFC)

پیل سوختی اکسید جامد(SOFC) از یک الکترولیت سرامیکی ( ترکیبی از زیرکنا(Zr) و ایتریا (Y) با فرمول.Zr۰,۹۲Y۰.۰۸O۱,۹۶ می باشد) بجای یک الکترولیت مایع استفاده می کند. الکترود آند ملغمه ای از نیکل وزیرکنیا و الکترود کاتد از جنس منگنیت لانتانیم است . درجه حرارت کارکرد پیل ٧٠٠ الی ١٠٠٠ درجه سانتیگراد می باشد. الکترولیت جامد با الکترودها که از مواد متخلخل مخصوصی تشکیل شده اند، پوشانده شده اند . در دمای بالای عملکرد پیل سوختیSOFC، یونهای اکسیژن)با بارمنفی ( از شبکه کریستالی عبور می کند . وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یونهای اکسیژن از الکترولیت عبور می کند تا سوخت را اکسید کنند . اکسیژن ذخیره شده در کاتد معمولا ً از هواگرفته می شود. الکترونهای ایجاد شده در آند از یک بار خارجی (مدار خارجی ) عبور کرده و به کاتد می رود. با این کار یک مدار الکترویکی کامل می شود و انرژی برق تولید می شود. پیلهای سوختی نوع اکسید جامدSOFC  نیاز به رفورمر خارجی ندارند. عملکرد کلی پیل سوختی اکسید جامد را می توان در شکل زیر دید

عملکرد پیل سوختی اکسید جامد

واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بصورت زیر می باشد:

مزایای پیل سوختی اکسید جامد(SOFC):

• عدمحساسیتبهمونواکسیدکربن
• قابلیتمصرفسوختهایگوناگون
• عدمنیازبههیدروژنخالص
• بالابودنراندمانسیستم
• عدمنیازبهسوختمجزا
• امکاناستفادهمستقیمازگازطبیعیبعنوانسوخت
• قابلاستفادهدرمولدهایدومنظوره
• عدماستفادهازالکترولیتمایع
• عدماستفادهازفلزاتگرانقیمتوکمیابدرساخت

معایب پیل سوختی اکسید جامد(SOFC):

• طولانیبودنزمانشروعبهکار
• تشدیدخوردگیوخرابیاجزاءبعلتکارکرددردمایبالا
• گرانقیمتبودنبعضیازاجزاء

۶. پیل سوختی متانولی (DMFC)

پیل سوختی متانولی در حقیقت یک پیل سوختی پلیمری است که قادر است متانول مایع را مستقیمًا بعنوان سوخت مصرف کند؛ از اینرو الکترولیت آن مانند پیل سوختی پلیمری غشاء پلیمری (عمدتًا Nafion) می باشد . الکترود آند از جنس آلیاژ پلاتین  روتینیوم (Pt-Ru) و الکترود کاتد آن از جنس پلاتین است . این پیل سوختی در محدوده وسیعی از درجه حرارت کار می کند و دمای کارکرد آن بین٦٠ تا ١٢٠ درجه سانتیگراداست. واکنشهای انجام شده در الکترودهای این پیل سوختی عبارتند از:

مزایای  پیل سوختی متانولی (DMFC):

• قابلیتاستفادهازمتانولمایعبعنوانسوخت
• چگالیقدرتبالا
• دماوفشارعملکردیپایین
• سادگیساختارومدیریتحرارتپیل
• ضریباطمینانبالایسیستم
• حذفسیستممبدلسوخت
• حذفسیستمپیچیدهمدیریتآبوحرارت(بعلتهمراهبودنسوختباآب)
• کاهشقابلملاحظهوزنوحجم

معایب  پیل سوختی متانولی (DMFC):

• عبورمتانولازغشاءودرنتیجهافتولتاژکلیپیلوبههدررفتنسوخت
• پایینبودنعملکرددرمقایسهبادیگرپیلها
• استفادهازپلاتیندرساختارپیل
• پایینبودنفعالیتکاتالیستPt-Ru درآند