معرفی پیل سوختی

[mim-shimi 25,686]

پيل‌‌سوختي نوعي پیل الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي حاصل از واكنش را مستقيماً به انرژي الكتريكي تبديل مي‌کند. سازه و بدنه اصلي پيل‌سوختي از الكتروليت، الكترود آند و الكترود كاتد تشكيل شده است. نماي كلي يك پيل‌سوختي توليد شده و مسير حركت يونها در شكل ارائبه همراه گازهاي واكنش دهنده و ه شده است.

پيل سوختي يك دستگاه تبديل انرژي است كه به لحاظ نظري تا زماني كه ماده اكسيد كننده و سوخت در الكترودهاي آن تأمين شود قابليت توليد انرژي الكتريكي را دارد. البته در عمل استهلاك، خوردگي و بد عمل كردن اجزاي تشكيل دهنده، طول عمر پيل‌سوختي را كاهش مي‌دهد.

 

در يك پيل‌سوختي، سوخت‌ به طور پيوسته به الكترود آند و اکسيژن به الكترود کاتد تزريق مي‌شود و واكنش‌هاي الكتروشيميايي در الكترودها انجام شده و با ايجاد پتانسيل الکتريکي جريان الكتريكي برقرار مي‌گردد. اگرچه پيل‌سوختي اجزاء و ويژگيهاي مشابه يک باتري را دارد اما از بسياري جهات با آن متفاوت است. باتري يك وسيله ذخيره انرژي است و بيشترين انرژي قابل استحصال از آن به وسيله ميزان ماده شيميايي واكنش دهنده كه در خود باتري ذخيره شده است (عموماً در الکترودها) تعيين مي‌شود. چنانچه ماده واكنش دهنده در باتري كاملاً مصرف شود، توليد انرژي الكتريكي متوقف خواهد شد (باتري تخليه مي‌شود). در باتري هاي نسل دوم ماده واكنش دهنده با شارژ مجدد، دوباره احيا مي‌شود كه اين عمل مستلزم تأمين انرژي از يك منبع خارجي است. در اين حالت نيز انرژي الكتريكي ذخيره شده در باتري محدود و وابسته به ميزان ماده واكنش دهنده در آن خواهد بود.

 

گاز‌ اکسيد کننده نظير هوا يا اکسيژن خالص در الکترود کاتد که با صفحه الکتروليت در تماس است جريان پيدا مي‌‌کند و با اكسيداسيون الكتروشيميايي سوخت كه معمولاً هيدروژن است و با احياء اكسيد كننده انرژي شيميايي گازهاي واکنش‌گر به انرژي الکتريکي تبديل مي‌شود.

 

از نظر تئوري، هر ماده‌اي كه به صورت شيميايي قابل اكسيد شدن باشد و بتوان آن را به صورت پيوسته (به صورت سيال) به پيل‌سوختي تزريق كرد، مي‌تواند به عنوان سوخت در الكترود آند پيل‌سوختي مورد استفاده قرار گيرد. به طور مشابه ماده اكسيد كننده سيالي است كه بتواند با نرخ منا‌‌سبي احيا شود.

 

گاز هيدروژن به دليل تمايل واكنش دهندگي بالا به همراه چگالي انرژي بالا به عنوان سوخت ايده‌آل در پيل‌سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. هيدروژن را مي‌توان از تبديل هيدروكربن‌ها از طريق واكنش ‌كاتاليستي، توليد و به صورتهاي گوناگون ذخيره سازي‌كرد. اكسيژن مورد نياز در پيل‌سوختي به طور مستقيم از هوا تهيه مي‌شود. بر روي سطح الکترودهاي آند و کاتد پيل‌سوختي واکنش اکسيداسيون و احياء در ناحيه سه فازي (و در صورت جامد بودن الکتروليت دو فازي) نزديک سطح مشترک واكنش دهنده‌ها، كاتاليست و الكتروليت صورت مي‌گيرد. اين ناحيه سه فازي نقش مهمي در عملكرد الكتروشيميايي پيل‌سوختي به ويژه پيل‌هاي‌سوختي با الكتروليت مايع دارد. در اينگونه پيل‌هاي‌سوختي، گازهاي واكنش دهنده از ميان يك لايه نازك از الكتروليت كه سطح الكترودهاي متخلخل را پوشانده است عبور كرده و واكنش الكتروشيميايي مناسب روي سطح الكترود مربوطه انجام مي‌شود. چنانچه الكترود متخلخل حاوي مقادير بيش از حد الكتروليت باشد الكترود در اصطلاح غرق (flood) شده و به اين ترتيب انتقال واکنشگرهاي گازي محلول در الكتروليت به مکان‌هاي واكنش محدود مي‌شود. در نتيجه عملكرد الكتروشيميايي الكترود متخلخل تضعيف مي‌شود لذا ضروري است كه در ساختار الكترودهاي متخلخل يك تعادل مناسب بين الكترود، الكتروليت و فاز گازي ايجاد شود.

 

تلاش‌هاي اخير جهت بهبود عملكرد واکنش الكترو‌شيميايي، کاهش هزينه‌هاي توليد، كاهش ضخامت اجزاي پيل‌سوختي و در عين حال اصلاح و بهبود ساختار الكترودها و فاز الكتروليت متمرکز شده است. الكتروليت با هدايت يون‌ها بين الكترودها سبب تكميل مدار الكتريكي پيل‌سوختي مي‌شود. الکتروليت يك مانع فيزيكي بين سوخت و گاز اكسيژن ايجاد مي‌كند و مانع اختلاط مستقيم آنها مي‌شود. وظيفه صفحات الكترود متخلخل در پيل‌سوختي شامل موارد زير است:

 

1ـ ايجاد يك سطح فعال و مناسب كه واكنش هاي الكتروشيميايي روي اين سطوح انجام مي‌شود.

 

2ـ هدايت يونهاي حاصل از واكنش به داخل يا خارج از ناحيه تبادل سه فازي و انتقال الکترون‌هاي توليدي به مدار خارجي (الكترودها بايد هدايت الكتريكي خوبي داشته باشد).

 

براي افزايش سطح تماس واكنش دهنده‌ها با کاتاليست لازم است كه ساختار الكترود، متخلخل بوده و ميزان سطح در دسترس و پوشش داده شده توسط كاتاليست نسبت به حجم الکترود زياد باشد. ساختار متخلخل، دسترسي راحت اجزاء واکنش دهنده به مراکز فعال را ميسر مي‌سازد.

 

نرخ واكنش‌هاي الکتروشيمي با افزايش دما افزايش پيدا مي‌كند، لذا خاصيت كاتاليزوري ‌الكترودها در پيل‌هاي‌سوختي دما پايين از اهميت بيشتري در مقايسه با پيل‌سوختي دما بالا برخوردار است. الكترودهاي متخلخل بايد در هر ‌دو طرف تماس با الكتروليت و گازهاي واکنش‌دهنده، نفوذ‌پذير باشند تا حدي كه توسط الكتروليت اشباع نشده و بوسيله گازهاي واکنش دهنده خشك نشوند. منبع:انجمن پیل سوختی ایران

[mim-shimi 25,686]

تحقيقات جديد در اين عرصه از اوايل دهه 60 میلادی با اوج گيري فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مركز تحقيقات ناسا در پي تامين نيرو جهت پروازهاي فضايي با سرنشين بود. ناسا پس از رد گزينه‌هاي موجود نظير باتري (به علت سنگيني)، انرژي خورشيدي(به علت گران بودن) و انرژي هسته‌اي (به علت ريسك بالا) پيل‌سوختي را انتخاب نمود.

تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيل‌سوختي پليمري توسط شركت جنرال الكتريك منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود كه اولين كاربرد تجاري پيل‌سوختي بود.

پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپیما پيل‌سوختي قليايي بيكن را به منظور كاهش وزن و افزايش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضايي آپولو به كار بردند. در هر دو پروژه پيل‌سوختي بعنوان منبع انرژي الكتريكي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيل‌هاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد مي‌كرد. پس از کاربرد پيل‌هاي سوختي در اين پروژه‌ها، دولت‌ها و شركت‌ها به اين فن‌آوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي تولید انرژي پاك در آينده توجه روزافزوني نشان دادند.

از سال 1970 فنآوري پيل‌سوختي براي سيستم‌هاي زميني توسعه يافت. تحريم نفتي از سال1973-1979 موجب تشديد تلاش دولتمردان امريكا و محققين در توسعه اين فن‌آوري به جهت قطع وابستگي به واردات نفتي گشت.

در طول دهه 80 تلاش محققين بر تهيه مواد مورد نياز، انتخاب سوخت مناسب و كاهش هزينه استوار بود. همچنين اولين محصول تجاري جهت تامين نيرو محركه خودرو در سال1993 توسط شركت بلارد ارائه شد.

كاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي

بازار مولدهای نیروگاهی پیل‌سوختی بسیار گسترده است و کاربردهای دولتی، نظامی و صنعتی را شامل می‌شود. همچنین به عنوان نیروی پشتیبان در مواقع اضطراری در مخابرات، صنایع پزشکی، ادارات، بیمارستان‌ها، هتل‌های بزرگ و سیستم‌های کامپیوتری به کار می‌رود.

پیل‌های سوختی نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت تولید برق محلی مناسبند. علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.

این نیروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهی الکتریکی بالایی دارند و همچنین در ترکیب با نیروگاه‌های گاز طبیعی بازدهی الکتریکی آنها به 70-80% می‌رسد.

مزیت دیگر این نیروگاه‌ها عدم آلودگی محیط زیست است. خروجی نیروگاه‌های پیل‌سوختی بخار‌آب می باشد.

نیروگاه‌های پیل سوختی قابلیت استفاده از سوخت‌های مختلف مانند متانول، اتانول، هیدروژن، گاز طبیعی، پروپان و بنزین را دارند و مانند سایر نیروگاه‌ها محدود به استفاده از یک منبع انرژی خاص نیست.

از زمانیکه اولین پیل‌سوختی نیروگاهی در دهه 60 تولید گشت، تا کنون در مجموع 650 سیستم کامل با توان بیش از 10 کیلووات (میانگین آن 200 کیلووات است) ساخته شد. تقریباً 90 درصد از این واحدها با گاز طبیعی تغذیه می شود. البته استفاده از سوخت‌های جایگزین نظیر بیوگاز و گاز ذغال نیز پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است.

در این بخش نیروگاه انواع متنوع پیل‌سوختی به کار رفته است. در ابتدا از پیل‌سوختی اسید فسفریک آغاز گردید و سپس پیل‌سوختی پلیمری و پیل‌سوختی کربنات مذاب جایگزین آن گشتند. در حالیکه پیل‌سوختی اکسید جامد در آینده بازار را به قبضه در خواهد آورد.

در بخش پیل‌های سوختی نیروگاهی کوچک (زیر 10 کیلووات) نیز رشد قابل ملاحظه‌ای را شاهد بودیم. تعداد این واحدها اکنون به 1900 رسیده است. این سیستم جهت مصارف خانگی و بازارهایی از قبیل UPS ونیروی پشتیبان در اماکن دوردست کاربری دارد. نیمی از محصولات در آمریکای شمالی توسعه یافته است.

در بخش سیستم‌های نیروگاهی کوچک 20 درصد سهم بازار را پیل‌سوختی اکسیدجامد و مابقی را پیل‌سوختی پلیمری تشکیل مي‌‌دهد. بازار پیل‌سوختی کوچک در ژاپن که به مصارف خانگی اختصاص دارد، منحصراً با پیل‌سوختی پلیمری است و امید است تا انتهای سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.

فروش تعدادی از واحدهای نیروگاهی کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سیستم GenCore شرکت Plug Power می باشد(توان 5 کیلووات، 15000 دلار)

دولت ژاپن حمایت خود از توسعه پیل‌های سوختی نیروگاهی در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت های ژاپنی گاز توکیو و Osaca از بزرگترین شرکت های توسعه دهنده این فن‌آوری می‌باشند.

[azarafrooz 14,221]

پیلهای سوختی از یک واکنش الکتروشیميایی ساده که درآن از ترکیب اکسیژن و هیدروژن آب تشکیل میشود تولید انرژی الکتریکی می‌کنند انواع مختلف و متعدد پیل سوختی وجود دارد اما همه آنها بر اساس یک طراحی اصلی تشکیل شده از دو الکترود یک آند منفی و یک کاتد مثبت بنا نهاده شده‌اند. این دو الکترود بوسیله یک الکترولیت جامد و یا مایع که ذرات باردار الکتریکی را جابجا می‌کند از هم جدا شده‌اند. معمولاً از یک کاتالیزور مانند پلاتین جهت افزایش سرعت واکنش الکترونها استفاده می‌شود. پیلهای سوختی بر اساس طبیعت الکترولیت مورد استفاده در آنها تقسیم بندی می‌شوند .هر یک از آنها مواد و سوخت خاص مناسب با کاربردهای مختلف نیاز دارند.

[azarafrooz 14,221]

پيلهای سوختی در انواع زير موجود می‎باشند: پیل‎های سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آن‎ها به پنج نوع اصلی طبقه بندی می‎شوند

پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشاء مبادله کننده پروتونPEFC)

پیل سوختی اسید فسفریک PAFC

پیل سوختی کربنات مذاب MCFC)

پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)

 

لازم به ذکر است که پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC) از خانوادة پیل سوختی PEFC است. پیل‎های سوختی بر اساس دمای عملکرد ، دارای دامنة دمایی از ۸۰ برای (PEFC‎) تا ۱۰۰۰ برای (SOFC) می‎باشند. پیل‎های سوختی دمای پایین (PEFC ،PAFC ،AFC) دارای حامل‎های یونیH+ ویا OH- هستند که انتقال یون از میان الکترولیت وانتقال الکترون‎ها از طریق مدار خارجی را به عهده دارند ، و در پیل‎های سوختی دمای بالا مانند الکترولیت کربنات مذاب (MCFC) و الکترولیت اکسید جامد (SOFC) ، جریان الکتریکی به ترتیب از طریق یون‎هایCO۳۲- و O۲- انتقال می‎یابد. در پیل‎های سوختی اکسید جامد (SOFC) یا سرامیکی رسانش ‎یون در الکترولیت معمولاً در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‎شود.

 

مزایای پیل‎های سوختی بطور کلی عبارت‌اند از:

 

بازده بالا

سازگاری با محیط زیست

سادگی سیستم از نظر تعمیر ونگهداری

تنوع در سوخت مصرفی

عدم آلودگی صوتی به سبب نداشتن قسمت‌های متحرک

طراحی و ساخت توان‎های کوچک (میلی وات ) تا بزرگ (مگاوات

امكان استفاده از سوختهاي فسيلی و پاك، مدولار بودن

قابليت توليد هم‌زمان حرارت و الكتريسيته و استفاده در كاربردهای توليد غيرمتمركز انرژی

 

معایب :

به مواد بیشتر و فرآیندهای سریعتری نسبت به دیگر پیل‎ها نیاز دارد

ممکن است در مدت طولانی کار ، گرما مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی را موجب شود.

در صورت استفاده از سوخت ناخالص ، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در ‎‎‎‎نهایت مسمومیت پیل می‎گرد

مزایای پیل سوختی اکسید جامد

به علت عملکرد دمایی بالا دارای بیشترین راندمان نسبت به سایر پیل‎های سوختی می‎باشد.

از گرمای تولید شده می‎توان برای افزایش بازدهی مجدد استفاده نمود.

امکان بازسازی درونی سوخت به خاطر عملکرد دمایی بالا وجود دارد.

نیازی به کاتالیستهای گران قیمت ندارد.

برای استفاده از سوختهای مختلف نیازی به مبدل‎های سوخت نیست.

از آنجاییکه پیل سوختی اکسید جامد دارای الکترولیت جامد است مشکل خوردگی مواد کم می‎باشد .

برای ساخت اجزای پیل می‎توان از فن‎آوری لایه نازک استفاده نمود. ولی در پیل‎های سوختی با الکترولیت مایع چنین امری دست نیافتنی است.

 

 

 

پیلهای سوختی با غشاء تبادل پروتون:

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)

این تکنولوژی در دهه 1950 بوسیله شرکت جنرال الکتریک ابداع شد و بوسیله سازمان ناسا جهت تولید انرژی برای پروژه فضائی Gemini استفاده شد. در حال حاضر این نوع پیل سوختی است که اکثراً در شرکتهای اتومبیل سازی بعنوان جایگزین در موتورهای درونسوز بکار برده می‌شود.پیلهای سوختی با غشاء تبادل پروتون بنام غشاء الکترولیت پلیمری، الکترولیت پلیمری جامد، پیلهای سوختی الکترولیت پلیمری نیز شناخته شده‌اند.

در پیل سوختی PEM الکترولیت از یک غشاء نازک پلیمری (مانند پلی پرفلور و سولفوریک اسید) نافیون (Nafim TM ) که نفوذپذیر در پروتونهاست، اما هادی الکتریسیته نمی‌باشد و الکترودها از کاربن درست شده‌اند .هیدروژن در درون پیل سوختی به روی آند جاری شده و به پروتونها و الکترونها تقسیم می‌شود. یونهای هیدروژن از طریق الکترولیت به کاتود نفوذ می‌کنند، درحالیکه الکترونها از طریق یک مدار خارجی جریان کرده و تولید انرژی می‌نمایند. اکسیژن به صورت هوا به کاتد ارسال شده و با الکترونها و یونهای هیدروژن ترکیب گردیده و

تولید آب می‌کند.این واکنشهای روی الکترودها مطابق زیر می‌باشند.

 

2H2 ===> 4H + 4e: آند

O2+4H ===> 2H2O :کاتد

 

انرژي 2H2 +O2 ===> 2H2O +: نتیجه

پیلهای PEM در دمای حدود 80 سانتیگراد کار می‌کنند. در این دمای پایین واکنشهای الکتروشیمیائی معمولاً خیلی کند صورت می‌گیرد بنابراین از یک لایه نازک پلاتین روی هر یک از الکترودها بعنوان کاتالیزور استفاده می‌شود.

این دستگاه الکترولیت/ الکترود بنام مجموعه الکترود غشاء (MEA ) خوانده شده و بین دو صفحه ي جریان، میدان ساندویج گردیده تا یک پیل سوختی را بوجود آورد. این دو صفحه شامل شیارهايی جهت کانال هدایت سوخت به الکترودها و همچنین هدایت الکترونها به خارج از مجموعه MEA می‌باشد. هر پیل حدود 7/0ولت برق تولید مي کند.براي تولید ولتاژ های بالاتر تعدادی از این پیلها بطور سری بهم وصل گردیده و تشکیل ساختاری بنام مجموعه‌ پیل سوختی می دهند.پیلهای سوختی PEM دارای یک سری مزایا هستندکه باعث شده از آنها در اتومبیل و کاربردهای کوچک خانگی مانند جایگزین باطریهای قابل شارژ استفاده شود. پیلها در دمای نسبتاً پایین کار می کنند و لذا باعث استارت سریع از حالت سرد بوده و به دلیل داشتن دانسیته بالای انرژی داراي قابلیت ساخت با حجم کم و فشرده می باشند .بعلاوه پیلهای PEM با راندمان بالا حدود (40-50) درصد حداکثر ولتاژ تعریف شده در تئوری کار می‌کنند و میتوانند خروجی خود را بسرعت تغییر داده تا با تغییر در انرژی مورد نیاز سازگاری داشته باشند.

در حال حاضر دستگاههايی با نمایش قدرت تولید 50 کیلو وات مورد بهره‌برداری و عملیات قراردارد و دستگاههایی با قدرت تا 250 کیلو وات درحال توسعه است. بهرحال هنوز یک سری محدودیتها وجود دارد که باید قبل از اینکه این تکنولوژی گسترده تر شود بر انها غلبه کرد. مشکل اصلی قیمت بالا، مثل گرانی جنس غشاء وکاتالیزورمی باشد. اما نتیجه پژوهشها و طرحهای توسعه‌ای دردست اقدام بتدریج از قیمتکاسته و همچنین به هنگام تولید اندوده درمقیاس بالا جهشی بزرگ در کاهش قیمت و اقتصادی شدن آن خواهد نمود. مانع دیگر بر سر راه پیلهای PEM نیاز آنها به هیدروژن خاص جهت کارکردن میباشد. زیرا آنها خیلی حساس به مسمومیت با منواکسید‌کربن وناخالص های دیگر هستند و این عمدتا بدلیل دمای پایین عملیاتی پيل ضرورت استفاده ازکاتالیزورحساس در پیل را موجب میشود.بهر‌حال کارهايی در دست اقدام است تا یک سیستم کاتالیزور توام با غشاء با قدرت مانور بهتر تولید گردد که قادر به کارکرد با دمای عملیاتی بالاتر باشد.

 

 

پیلهای سوختی بازی :Alkaline Fuel Cell(AFC)

پیلهای سوختی بازی یکی از توسعه یافته ترین تکنولوژیها هستند و برای تهیه انرژی وآب آشامیدنی در ماموریت ها ی فضائی از جمله سفینه فضائی شاتل ایلات متحده آمریکا بکار برده شده اند. واکنش الکترو‌شیمیائی در آن قدری متفاوت است، بدین صورت که یونهای هیدرواکسیل (OH ) از کاتدبه طرف آند حرکت میکنند؛ تا در اثر واکنش با هیدروژن تشکیل آب و الکترون بدهند.این الکترونها جهت اعمال انرژی به مدار خارجی بکار ميروند، سپس دوباره به کاتد برگشته و در واکنش با اکسیژن و آب تولید مقادیر بیشتری از یونهای هیدرواکسیل (OH) مینمایند.

2H2 + 4OH ===> 4H2O + 4e: آند

O2 + 2H2O + 4e ===> 4OH :کاتد

پیلهای بازی در همان دمای عملیاتی مشابه پیلهای PEM ( حدود 80 سانتیگراد )کار می‌کنندو لذا سریع استارت هستند. اما دانسیته انرژی آنها حدود ده برابر کمتر PEM میباشد و بنابراین برای استفاده درموتور اتومبیل بسیار پرحجم اند.آنها بهر حال ارزان ترین نوع پیل سوختی هستند و بدین جهت میتوانند برای دستگاههای تولید برق کوچک و ثابت بکار برده شوند. پیلهای بازی مشابه پیلهای PEM شدیداً به منواکسیدکربن و ناخالصیهای دیگرکه موجب مسمومیت کاتالیزور میشوند حساس هستند.بعلاوه منابع تغذیه آنها باید عاری از دی اکسید کربن باشند، زیرا واکنش دی اکسیدکربن با الکترولیت هیدروکسید پتاسیم تشکیل کربنات پتاسیم میدهدکه باعث محدودیت در راندمان پیل می‌گردد.

 

پیل سوختی اسید فسفریک

Phosphoric Acid Fuel Cell(PAFC)

پیل سوختی اسید فسفریک در حال حاضر پیشرفته‌ترین پیل سوختی تجاری است همانگونه که از نام آن استنباط می‌گردد در این پیلها از اسید فسفریک مایع بعنوان الکترولیت استفاده می‌شود معمولاً در یک قالب سیلیکون کارباید جا داده میشود. پیلهای سوختی اسید فسفریک در دمای کمی بالاتر از پیلهای PEM و بازی کار می‌کنند.(حدود 150 الی 200 درجه سلسیوس). با وجود این جهت ارتقاء واکنش ، نیاز به کاتالیزور پلاتین روی الکترودها دارند. واکنش آند وکاتد مشابه PEMمیباشد.ولی به علت دمای عملیاتی بالاتر، سرعت واکنش آن بيشتر است . اين افزايش دما موجب انعطاف پذيري بيشتر در مقابل ناخالصي ها مي گردد. پيلهاي اسيد فسفريک با يکي دو درصد منواکسيدکربن و مقدار کمي (چند جزء در مليون ppm) گوگرد موجود در جريان واکنش هنوز عملکرد درستی دارند. راندمان پیلهای اسید فسفریک کمتر از سیستمهای دیگر است. حدود چهل درصد و همچنین زمان بیشتری جهت گرم شدن نسبت به پیلهای PEM صرف می کنند علیرغم آن موانع و کاستيها یک سری مزایا در این تکنولوژی از قبیل سادگی ساخت، ثبات و تبخیر پذیری کمتر الکترولیت وجود دارد. پیلهای اسید فسفریک برای تامین انرژی الکتریکی در اتوبوسها بکار برده شده‌اند و تعدادی از آنها در سرویس عملیاتی میباشند، اما اینکه زمانی در اتومبیلهای شخصی بکار روند غیر متحمل است. پژوهش قابل ملاحظه‌ای در طول 20 سال نتیجه داده است که پیلهای اسید فسفریک کاربرد موفقیت آمیزی در دستگاههای غیر سیار داشته‌اند. در حال حاضر تعداد زیادی از این دستگاهها با قدرت خروجی بین 2/0 تا 20 مگا وات در سراسر دنیا جهت تهیه انرژی برق در بیمارستانها، مدارس و نیروگاههای کوچک نصب شده‌اند و در سرویس عملیاتی قراردارند

 

پیلهای سوختی کربنات ذوب شده :

)Molten Carbonate Fuel Cells(MCFC

نحوه کار پیلهای سوختی کربنات ذوب شده نسبت به پیلهای دیگر تا کنون بحث شده کاملاً متفاوت است. در این پیلها از نمک کربنات لیتیوم پتاسیم ذوب شده و یا لیتیوم سدیم ذوب شده بعنوان الکترولیت استفاده میگردد. وقتی که نمک تا دمای 650 درجه سانتیگراد گرم شود، نمک ذوب شده و یونهای کربنات تولید می‌کند که از کاتد به آند جریان کرده و در آنجا با هیدروژن ترکیب شده و تولید آب و دی اکسیدکربن و الکترون می‌نماید. الکترونها از طریق یک مدار خارجی دوباره به کاتد برگشته و در سر راه خود تولید انرژی می کنند.

CO3 + H2 ===> H2O +CO2 + 2e: آند

CO2 +1/2 O2 + 2e ===> CO3 :کاتد

دمای بالائی که این پیلها در آن کار می کنند به این معناست که آنها قادرند بطور داخلی تشکیل هیدروکر مانند گاز طبیعی و نفت جهت تولید هیدروژن در درون ساختار پیل بدهند. در چنین دمای بالائی هیچگونه مشکل مسمومیت منواکسید وجود ندارد، گرچه مشکل گوگرد سر جای خود باقی است و بجای کاتالیزور پلاتین گران قیمت میتوان از نوع نیکل ارزانتر استفاده نمود. حرارت اضافی ایجاد شده میتواند در سیکل ترکیبی نیروگاها بکار رود. راندمان این نوع پیلها تا حدود 60 درصد است و در صورتی از گرمای تلف شده استفاده گردد میتواند تا 80 درصد افزایش یابد. دمای بالای کارکرد، بهر حال پاره‌ ای مشکلات را بوجود مي آورد. زمان قابل ملاحظه‌ای طول می‌کشد تا پیل به دمای عملیاتی برسد و این باعث میشود که پیل برای کاربردهای حمل و نقل نامناسب باشد و دمای بالا و طبیعت خورنده الکترولیت احتمالاً به این معناست که پیل برای تولید برق خانگی غیر ایمن است .راندمان بالای تولید انرژی پیل باعث جذابیت آن در استفاده در فرآیندهای صنعتی در مقیاس بالا و در توربین های تولید برق باشد. در حال حاظر پیل سوختی کربنات ذوب شده با ظرفیتهای تا 2 مگا وات به نمایش گذارده شده ولی ظرفیتهای 50 الی 100 مگا وات در دست طراحی است

 

پیلهای سوختی اکسید جامد

(Solid oxide Fuel cells (SOFC

پیلهای سوختی اکسید جامد در دمای حتی بالاتر از پیلهای کربنات ذوب شده کار می کنند. آنها از الکترولیت سرامیک بخار مانند اکسید زیر کونیوم تثبیت شده در اکسید yttrium بجای الکترولیت مایع استفاده مینمایند و در دمای بین 800 الی 1000 سانتگراد کار می کنند. در این پیلها انرژی از مهاجرت آنیونهای اکسیژن از طرف کاتد به آند جهت اکسیداسیون گاز سوخت، که بطور نمونه مخلوطی از هیدروژن و منواکسید‌کربن میباشد تولید می‌گردد. الکترونهای ایجاد شده در آند بوسیله یک مدار خارجی دوباره به کاتد در جائی که اکسیژن ورودی را کاهش می دهد برگشته و بنابراین سیکل واکنش را تکیمل می کند.

H2 + O ===> H2O + 2e: آند

O2 +4e ===> 2O :کاتد

CO + O ===> CO2 +2e

همانند پیلهای سوختی ذوب شده در این پیلها نیز دمای عملیاتی بالا به معنای مقاومت در برابر مسمومیت منواکسیدکربن میباشد زیرا همانگونه که در بالا مشاهده میشود منواکسیدکربن سریعاً به دی اکسید کربن تبدیل میگردد. این خود باعث عدم نیاز به استفاده از رفرمینگ خارجی جهت استخراج هیدروژن از ماده سوختی میباشد و این نوع پیلها میتوانند دوباره از نفت و یا گاز طبیعی استفاده کنند.پیلهای سوختی اکسید جامد همچنین بالاترین انعطاف را در برابر آلودگی با گوگرد نسبت به سایر تکنولوژیهای بحث شده و تا کنون از خود نشان میدهند. این پیلها بعلت استفاده از الکترولیت جامد نسبت به پیلهای سوختی کربنات ذوب شده پایدارترند اما مواد ساختمانی آنها به جهت نیاز به مقاومت در برابر دمای عملیاتی بالا گرانتر است.این پیلها میتوانند به راندمان حدود 60 درصد برسند و انتظار میرود که برای تولید برق و حرارت در صنعت و برای تهیه نیروی کمکی در اتومبیل بکار برده شوند.

 

پیلهای سوختی متانول مستقیم

(Direct Methanol Fuel Cells(DMFC

پیلهای سوختی متانول مستقیم تبدیلی از پیل سوختی با غشاء پروتون است که به طور مستقیم و بدون استفاده از رفرمینگ قبلی از متانول استفاده می‌کند. متانول به اکسیدکربن و هیدروژن در آند تبدیل میشود. پس از آن مشابه پیل سوختی PEM استاندارد هیدورژن جهت واکنش با اکسیژن بکار میرود.

CO2 + 6H + 6e CH3OH+H2O ===>: واکنش آند

3/2 O2 + 6H +6e ===>3 H2O: واکنش کاتد

CH3OH +3/2 O2 ===> CO2 + 2H2O : واکنش پیل

انتظار میرود که این پیلها در دمای حدود 120 درجه سانتیگراد قدری بالاتر از دمای عملیاتی پیل استاندارد PEM کار کنند و راندمان حدود چهل درصد داشته باشند. یکی از عیوب پیل متانول مستقیم دمای عملیاتی پایین و در نتیجه تبدیل متانول به هیدورژن و دی اکسید کربن است که نیاز به استفاده از مقادیر بیشتر کاتالیزور پلاتین نسبت به پیل استاندارد PEM دارد. بهر‌حال این افزایش هزینه نسبت به استفاده راحت از پیل سوختی مایع و عدم استفاده از کاتالیزور می چربد. تکنولوژی در پیش روی پیل سوختی متانول مستقیم هنوز در مراحل اولیه توسعه خود میباشد؛ ولی بهرحال کاربرد آن دز گوشیهای تلفن همراه و رایانه‌های کیفی (LABTOP ) با موفقیت نشان داده شده و توانائی و کارآئی و هدف نهائی استفاده از آن در سالهای آتی بروز داده خواهد شد.

 

پیلهای سوختی اصلاح شده : Regenerative Fuel Cells

این پیل سوختی اصلاح شده نسبتاً تازه است؛ اما توسط گروههایی در نقاط مختلف دنیا در دست مطالعه و پژوهش میباشد. تکنولوژی آن بر پایه همان پیلهای سوختی متفاوت است که در آن هیدروژن و اکسیژن جهت تولید انرژی، برق، گرما و آب بکار برده میشود.تفاوت در این است که پیل سوختی اصلاح شده واکنش معکوس را نیز انجام می‌دهد؛ یعنی الکترولیز می‌کند. آب تولید شده در پیل سوختی به الکترولیز کننده‌ای که با باطری خورشیدی کار می‌کند تقریباً و در آنجا به اجزاء تشکیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن تفکیک و سپس مجدّداً به پیل سوختی تغذیه می‌گردد. به این طریق یک سیستم بسته تشکیل شده که نیاز به تولید هیدروژن خارجی ندارد، توسعه یک سیستم تجاری آن بعید به نظر میرسد و مواردی مانند هزینه تمام شده آن که بیش از متعارف است و همچنین راههای مطمئن آماده سازی و استفاده از نیروی برق خورشیدی باید مورد بررسی دقیقتر قرار گیرد