مروری بر انواع فناوری‌های پیل سوختی و فرایند تبدیل هیدروژن به برق

زمان مطالعه: 7 دقیقه

در دهه‌های اخیر، افزایش نگرانی‌ها درباره تغییرات اقلیمی و آلودگی هوا، منجر به توجه بیشتر به انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر شده است. یکی از فناوری‌های کلیدی در این راستا، پیل‌های سوختی هستند که با استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند و تنها محصول جانبی آن آب است. این فناوری به دلیل عدم انتشار آلاینده‌ها و بهره‌وری بالا، کاربردهای گسترده‌ای در حمل‌ونقل، تولید برق و صنایع مختلف پیدا کرده است. علاوه بر این، انواع مختلف پیل سوختی به دلیل نداشتن قطعات مکانیکی متحرک، صدای کم و عدم نیاز به تعمیرات زیاد، در مقایسه با ژنراتورهای فسیلی عملکرد قابل اعتمادی دارند. با توجه به اهداف جهانی در کاهش کربن و توسعه فناوری‌های کم‌آلاینده، پیل‌های سوختی به‌ عنوان یکی از فناوری‌های اصلی برای تولید انرژی پاک شناخته می‌شوند.

در این مقاله، به بررسی عملکرد پیل‌های سوختی، انواع مختلف آن‌ها و تفاوت‌های عملکردی پرداخته خواهد شد و در نهایت به کاربردهای مستقیم و غیرمستقیم این فناوری اشاره می‌شود.

عملکرد پیل‌های سوختی

انواع پیل‌های سوختی بر اساس فرآیندهای الکتروشیمیایی عمل می‌کنند و عملکرد آن‌ها به‌ صورت کلی شبیه به باتری است، با این تفاوت که در آن‌ها انرژی از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن تولید می‌شود و نیاز به سوخت مستمر دارند. در یک پیل سوختی، مطابق شکل زیر هیدروژن به آند وارد می‌شود و در این الکترود، توسط یک کاتالیزور به پروتون‌ها و الکترون‌ها تجزیه می‌شود. پروتون‌ها از طریق الکترولیت به کاتد می‌روند و الکترون‌ها از طریق مدار خارجی به کاتد جریان می‌یابند و یک جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. در کاتد، اکسیژن با پروتون‌ها و الکترون‌ها ترکیب شده و آب تشکیل می‌شود.

برای مطالعه مقاله “مروری بر فناوری‌های الکترولیز آب برای تولید هیدروژن” اینجا کلیک کنید.

پیل‌های سوختی قادرند هیدوژن موجود در سوخت را به‌طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل کنند و این کار را با بازدهی بالا، تلفات حرارتی پایین و بدون انتشار آلاینده‌هایی همچون CO₂ انجام می‌دهند. بازده پیل‌های سوختی بسته به نوع، شرایط عملیاتی و میزان بارگذاری[1] هیدروژن می‌تواند بین 32٪ تا 70٪ متغیر باشد. این میزان بازده نسبت به بسیاری از فرآیندهای تولید برق تک‌مرحله‌ای، از جمله توربین‌های گازی، بالاتر است و موجب می‌شود پیل‌های سوختی گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای نیازمند بهره‌وری بالا به شمار آیند.

انواع پیل‌های سوختی

پیل‌های سوختی بر اساس نوع الکترولیت و شرایط عملیاتی به چند نوع اصلی تقسیم می‌شوند که هر کدام ویژگی‌ها، مزایا و کاربردهای مخصوص خود را دارند.

پیل سوختی غشای تبادل پروتون ([2] PEMFC): این نوع پیل به دلیل دمای عملیاتی پایین (60-80 درجه سانتی‌گراد) و چگالی توان بالا، برای کاربردهایی که نیاز به تغییرات سریع توان دارند مناسب است. PEMFC در خودروهای هیدروژنی، تجهیزات قابل حمل و سامانه‌های تولید برق اضطراری کاربرد دارد. استفاده از پلاتین به‌عنوان کاتالیزور، هزینه تولید این پیل‌ها را افزایش می‌دهد، اما بازدهی و عملکرد سریع آن‌ها، PEMFC را به یکی از محبوب‌ترین انواع پیل‌های سوختی تبدیل کرده است.

نمودار فرآیند تولید انرژی در پیل سوختی غشای تبادل پروتون

پیل سوختی قلیایی([1] AFC): پیل‌های AFC از محلول قلیایی مانند پتاسیم هیدروکسید به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند و دارای بازده بالایی هستند. این نوع پیل به خلوص بالای هیدروژن نیاز دارد و به دلیل حساسیت به CO₂، بیشتر در کاربردهای خاص مانند مأموریت‌های فضایی به کار می‌رود. این نوع پیل به دلیل بازده بالا و هزینه کمتر ناشی از استفاده از کاتالیزورهای ارزان‌تر، برای کاربردهای خاص گزینه مناسبی محسوب می‌شود.
پیل سوختی اسید فسفریک ([2] PAFC): PAFC در دمای عملیاتی حدود 200 درجه سانتی‌گراد کار می‌کند و از فسفریک اسید به ‌عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. این نوع پیل برای تولید برق و حرارت در صنایع و ساختمان‌ها مناسب است و می‌تواند به عنوان سیستم‌های تولید برق و گرما (CHP [3]) استفاده شود. اگرچه PAFC واکنش کندتر و چگالی توان کمتری نسبت به PEMFC دارد، اما به دلیل پایداری دمایی، طول عمر خوبی دارد.
پیل سوختی اکسید جامد ([4] SOFC): این نوع پیل در دماهای عملیاتی بالا (600-1000 درجه سانتی‌گراد) عمل می‌کند و از الکترولیت‌های سرامیکی مانند زیرکونیوم اکسید تثبیت ‌شده استفاده می‌کند. دمای بالا اجازه می‌دهد که SOFC از سوخت‌های متنوعی مانند هیدروژن، گاز طبیعی و حتی سوخت‌های کربنی استفاده کند. این ویژگی SOFC را برای نیروگاه‌های ثابت و سیستم‌های تولید برق و حرارت در مقیاس بزرگ مناسب می‌کند. با این حال، دمای بالا منجر به کاهش عمر مواد پیل و افزایش هزینه‌های نگهداری می‌شود.
پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC [5]): MCFC در دماهای 600-700 درجه سانتی‌گراد عمل می‌کند و از کربنات‌های مذاب به‌عنوان الکترولیت بهره می‌برد. این پیل می‌تواند از گاز طبیعی و دیگر سوخت‌های فسیلی استفاده کند و به دلیل کارایی بالا، برای نیروگاه‌های صنعتی و تولید برق و حرارت همزمان مناسب است. با این حال، دمای بالا می‌تواند به خوردگی مواد منجر شود و هزینه‌های نگهداری را افزایش دهد.
پیل سوختی میکروبی([6] MFC): در این نوع پیل، میکروارگانیسم‌ها مواد آلی را تجزیه کرده و به تولید برق کمک می‌کنند. این نوع پیل در تصفیه فاضلاب و تولید انرژی از پسماندهای آلی کاربرد دارد و به عنوان یک فناوری نوظهور در راستای تبدیل زباله‌ها به انرژی مطرح است.

تفاوت‌های عملکردی انواع پیل‌های سوختی

هر نوع از پیل‌های سوختی از نظر عملکرد، کاربرد و نیازهای عملیاتی با دیگری متفاوت است. به عنوان مثال، PEMFC به دلیل زمان پاسخ‌دهی سریع برای خودروها و سیستم‌های اضطراری مناسب است، در حالی که SOFC و MCFC با دمای بالا و بازدهی بالا، برای نیروگاه‌ها و تولید هم‌زمان برق و حرارت به کار می‌روند AFC و PEMFC به هیدروژن خالص نیاز دارند، در حالی که SOFC و MCFC می‌توانند از سوخت‌های متنوع‌تری مانند گاز طبیعی نیز استفاده کنند.

همچنین، دماهای بالای عملکرد در SOFC و MCFC امکان بهره‌برداری از حرارت تولیدی را نیز فراهم می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا در صنایع سنگین و سیستم‌های تولید انرژی صنعتی مورد استفاده قرار گیرند. در مقابل، PEMFC به دلیل دمای پایین و چگالی توان بالا، بیشتر برای خودروها و سیستم‌های قابل حمل مناسب است.

توسعه و چالش‌های فناوری پیل سوختی

فناوری پیل سوختی با وجود مزایای زیاد، با چالش‌های فنی و اقتصادی مواجه است. هزینه بالای تولید پیل‌های سوختی به دلیل استفاده از مواد گران‌بهایی مانند پلاتین در کاتالیزورها یکی از چالش‌های اصلی است. علاوه بر این، دوام و طول عمر پیل‌ها به‌ویژه در شرایط عملیاتی متغیر و دماهای بالا محدود است و این موضوع نیازمند بهبود در مواد و طراحی سیستم‌ها است. ذخیره‌سازی و توزیع هیدروژن نیز از دیگر چالش‌های این فناوری است؛ چراکه هیدروژن به دلیل چگالی پایین انرژی در واحد حجم نیازمند فشار بالا یا مایع‌سازی است که این فرآیندها به زیرساخت‌های پیشرفته نیاز دارند.

با این حال، تلاش‌های بسیاری برای رفع این چالش‌ها در حال انجام است. بهبود کاتالیزورها از طریق استفاده از نانوکاتالیزورها و جایگزینی فلزات گران‌بها با مواد ارزان‌تر، توسعه غشاهای تقویت‌شده و افزایش بازده الکترولیت‌ها، از جمله تلاش‌هایی هستند که می‌توانند به کاهش هزینه‌ها و افزایش طول عمر پیل‌ها کمک کنند. توسعه زیرساخت‌های هیدروژن نیز از دیگر اقدامات ضروری است تا این فناوری به طور گسترده در بازارهای صنعتی و حمل‌ و نقل به ‌کار گرفته شود.

توسعه خودروهای پیل سوختی

خودروهای پیل سوختی (FCEV [7]) به عنوان یکی از گزینه‌های کم‌کربن در حمل‌ و نقل، به دلیل ساختار ساده‌تر و استفاده از یک سیستم محرکه واحد، پتانسیل کاهش هزینه و بهبود بهره‌وری را دارند. برخلاف خودروهای هیبریدی که از دو سیستم محرکه مجزا (موتور الکتریکی و موتور احتراقی) بهره می‌برند، خودروهای پیل سوختی تنها به سیستم محرکه الکتریکی نیاز دارند که انرژی آن از پیل‌های سوختی تأمین می‌شود. این ویژگی باعث شده تا خودروهای پیل سوختی ساختار ساده‌تری داشته و کاهش هزینه در مقیاس تولید بیشتر را تجربه کنند.

برای استفاده گسترده از خودروهای پیل سوختی، کاهش هزینه تولید پیل‌های غشای تبادل پروتون (PEMFC) که در این خودروها به کار می‌روند، بسیار حائز اهمیت است. این کاهش هزینه، علاوه بر گسترش زیرساخت‌های هیدروژنی، نقش موثری در پذیرش و توسعه این خودروها دارد. در کشورهای پیشرفته‌ای مانند ژاپن و کره جنوبی، سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی در زمینه توسعه زیرساخت‌های هیدروژنی برای خودروهای پیل سوختی صورت گرفته است و انتظار می‌رود این کشورها به تدریج به پیشگامان استفاده از این فناوری در حمل‌ونقل تبدیل شوند.

پیل‌های سوختی در بخش ساختمان‌ها

پیل‌های سوختی همچنین در بخش‌های مسکونی و تجاری برای تولید هم‌زمان برق و حرارت (CHP) کاربرد دارند. در کشور ژاپن، سیستم‌های میکرو-تولید هم‌زمان برق و حرارت خانگی مبتنی بر پیل‌های سوختی، به نام Ene-Farm، با حمایت‌های دولتی به‌کار گرفته شده‌اند. این سیستم‌ها که عمدتاً از پیل‌های PEMFC و SOFC استفاده می‌کنند، توانسته‌اند در تامین انرژی خانگی و کاهش انتشار کربن نقش مهمی ایفا کنند.

سیستم ترکیبی انرژی خورشیدی و پیل سوختی خانگی

سیستم Ene-Farm به عنوان یکی از نمونه‌های موفق کاربرد پیل‌های سوختی در منازل، در سال‌های اخیر با استقبال قابل‌توجهی روبرو شده است و قیمت این سیستم‌ها به طور قابل‌توجهی کاهش یافته است. این کاهش هزینه باعث شده تا استفاده از پیل‌های سوختی در بخش‌های خانگی و تجاری برای تولید هم‌زمان برق و حرارت به گزینه‌ای اقتصادی و پایدار تبدیل شود و راه را برای افزایش پذیرش این فناوری هموار سازد.

پیل‌های سوختی در بخش ساختمان‌ها با تأمین انرژی پایدار، کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و بهبود کارایی انرژی، نقش مهمی در ایجاد آینده‌ای کم‌کربن و سازگار با محیط زیست ایفا می‌کنند.

کاربردهای پیل سوختی در ایران

ایران به عنوان یکی از کشورهایی که به شدت وابسته به سوخت‌های فسیلی است، برای رسیدن به توسعه پایدار نیازمند استفاده از منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر است. با توجه به پتانسیل بالای ایران در تولید انرژی‌های تجدیدپذیر مانند خورشید و باد، می‌توان از این منابع برای تولید هیدروژن سبز استفاده کرد و آن را به عنوان سوخت برای پیل‌های سوختی به کار برد. به‌طور خاص، پیل‌های سوختی می‌توانند در سیستم‌های تولید برق غیرمتمرکز برای مناطق دورافتاده، خودروهای هیدروژنی و پروژه‌های حمل ‌و نقل پاک در شهرهای بزرگ مانند تهران و اصفهان کاربرد داشته باشند.

همچنین، استفاده از پیل‌های سوختی در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی می‌تواند به بهبود بازدهی انرژی در این صنایع کمک کند و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهد. البته زیرساخت‌های تولید، ذخیره و توزیع هیدروژن در ایران نیازمند سرمایه‌گذاری‌های کلان و سیاست‌گذاری مناسب است، اما با توجه به پتانسیل بالای این فناوری، می‌توان انتظار داشت که پیل‌های سوختی به یکی از بخش‌های مهم تولید انرژی در ایران تبدیل شوند.

نتیجه‌گیری

پیل‌های سوختی به دلیل بازدهی بالا و انتشار کم آلاینده‌ها، به عنوان یکی از راهکارهای مهم برای دستیابی به انرژی پاک و پایدار شناخته می‌شوند. با وجود چالش‌های فنی و اقتصادی مانند هزینه بالای مواد اولیه و نیاز به زیرساخت‌های ذخیره‌سازی هیدروژن، تحقیقات و نوآوری‌های اخیر در بهبود مواد، افزایش طول عمر و کاهش هزینه‌ها، چشم‌انداز روشنی برای این فناوری ایجاد کرده است. در ایران، با توجه به منابع غنی انرژی تجدیدپذیر و نیاز به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، استفاده از پیل‌های سوختی می‌تواند به دستیابی به اهداف توسعه پایدار کمک کند و در بهبود کیفیت هوا و کاهش انتشار آلاینده‌ها موثر باشد. در نهایت، پیل‌های سوختی با قابلیت‌های متنوع و پتانسیل بالای خود در صنایع مختلف و کاربردهای گوناگون، به‌عنوان یکی از ارکان اصلی در آینده انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر شناخته می‌شوند و توسعه زیرساخت‌های هیدروژن و سرمایه‌گذاری در این حوزه می‌تواند مسیر را برای پذیرش گسترده‌تر این فناوری هموار سازد.