در صنایع فضایی و نظامی قیمت پیل سوختی اهمیت کمتری درطراحی یک پیل سوختی دارد به همین دلیل می توانیم از الکترودهایی با قیمت بالا یا از فلزات گرانبها برای تهیه الکترود استفاده کنیم به طور مثال در پیل های سوختی به کار رفته در سفینه های فضایی و ماهواره ها، الکترود آند شامل ٨٠ % پلاتین و ٢٠ % پالادیم است.

الکترود انتخاب شده باید شرایط زیر را داشته باشد:

١‐ قابلیت هدایت الکتریکی خوب جهت کاهش مقاومت اهمی

٢‐ استحکام مکانیکی کافی و تخلخل مناسب

3‐ پایداری شیمیایی درمجاورت الکترولیت های قلیایی

٤‐ پایداری الکتروشیمیایی در طول زمان و پایداری کاتالیست اعمال شده بر روی الکترود

با توجه به نوع گازهای مصرفی به طور مثال اکسیژن خالص یا هوا، نوع الکترود متفاوت خواهد بود.
الکترود از لایه های مختلفی تشکیل شده است لایه های مختلف الکترود تخلخل های متفاوتی دارند که متناسب با جهت عبورگاز والکترولیت مایع نوع تخلخل تعیین می شود.

بطور مثال تی بیکن برای به دست آوردن یک منطقه سه فازی پایدار، نوعی الکترود با دو نوع ساختار متخلخل متفاوت تهیه کرد. یک قسمت از این الکترود که شامل حفره های بزرگ بود در تماس با گاز قرارگرفت سوخت(گاز)، الکتروکاتالیست(جامد) والکترولیت (مایع) و قسمتی از الکترود که دارای حفره های کوچکتر بود در مجاورت الکترولیت مایع قرار گرفت. روش های مختلفی برای ساخت الکترود توسعه یافته است .

الکترولیت پیل سوختی قلیایی:

الکترولیت مورد استفاده در پیل سوختی قلیایی به طورغالب هیدروکسید پتاسیم (KOH)است این الکترولیت بیشترین میزان هدایت یونی رادربین سایرهیدروکسید های قلیایی ازخودنشان می دهد.هیدروکسید پتاسیم مورداستفاده دراین پیل سوختی، نرمالیته ای درحدود6-8 دارد و باید کاملا خالص باشد زیرا ناخالصی سبب غیر فعال شدن کاتالیست می گردد. در صورت استفاده از الکترولیت هیدروکسید سدیم، قیمت پیل کاهش می یابد ولی بازدهی این الکترولیت بسیار کمتراز الکترولیت KOHاست ومزیت قیمت NaOHدر برابر مدت زمان کارکرد هیدروکسید پتاسیم و خواص برتر آن قابل صرف نظر کردن است.

مزایا و معایب پیل سوختی قلیایی

مزایا:

١‐ الکتروکاتالیست مورد نیاز از جنس فلزات کمیاب و نایاب نیست و میتوان از اکسید فلزات ارزان قیمتتر در تهیه الکترود و الکتروکاتالیست استفاده نمود.

٢‐ در دمای پایین کارایی مناسب دارد.

٣‐ پیل سوختی قلیایی راندمان و دانسیته توان بالایی دارد.

٤‐ احیا اکسیژن در کاتد با سرعت بالایی انجام می شود.

معایب:

١‐ پیل سوختی قلیایی به دی اکسیدکربن حساسیت زیادی دارد و امکان استفاده از سوخت و هوای حاوی دی اکسیدکربن وجود ندارد. این عامل مانع جدی در راه پیشرفت پیل سوختی قلیایی است.

٢‐ مایع بودن الکترولیت یکی از معایب پیل سوختی قلیایی است.
٣‐ الکترولیت این پیل سوختی خورنده است.
٤‐ پیل سوختی قلیایی طول عمر نسبتا کوتاهی دارد.

پیل سوختی اسیدفسفریک

الکترودهای پیل سوختی اسید فسفریک

الکتروکاتالیست های پیل سوختی اسید فسفریک ازپلاتین یا آلیاژ پلاتین تهیه می شوند. این کاتالیست ها بر روی بسترکربن هادی الکتریسیته قرار می گیرند و دراین صورت پلاتین % ١٠ وزن الکترود را به خود اختصاص می دهد.

میزان پلاتین مصرفی در آند و کاتد به ترتیب 0.1و0.5وضخامت کاتالیست در حدود 0.1 میلیمتر می باشد.کاتالیست های آلیاژ پلاتین با ده درصد وزنی پلاتین خالص سبب بهبود کارایی الکترود کاتد خواهد شد.

درحال حاضر آلیاژهای پلاتین به عنوان الکتروکاتالیست در پیل سوختی اسید فسفریک به کارمی روند.این آلیاژها برای افزایش کارایی وکاهش اثرسینترینگ مورد استفاده قرار می گیرند.

بستر کاتالیست به عنوان سطحی که کاتالیست بر روی آن قرار می گیرد باید دارای مشخصات زیر باشد:

l ١. در شرایط کارکرد باید پایدار باشد و در الکترولیت اسید فسفریک طول عمر کافی داشته باشد.

l ٢. هدایت الکتریکی و حرارتی خوبی داشته باشد.

l ٣. متخلخل بوده به گونه ای که گازهای واکنشگر بتوانند به طور موثر در آن نفوذ کنند.

l ٤. در شرایط فشار بالا، استحکام مکانیکی بالایی داشته باشد.

بستر کاتالیست مورد استفاده در محیط خورنده الکترولیت اسید فسفریک، کربن صد درصد گرافیته شده می باشد.

کربن به دلایل زیر در ساختار الکترود مورد استفاده قرار می گیرد:

١. پخش کردن کاتالیست پلاتین برای حصول اطمینان از توزیع مناسب کاتالیست.
٢. ایجاد حفره های ریز در ساختار الکترود جهت افزایش نفوذ گازهای
واکنشگر روی سطح لایه کاتالیست و افزایش سطح تماس الکترود و الکترولیت.
٣. افزایش هدایت الکتریکی کاتالیست.

الکترولیت اسید فسفریک در پیل سوختی اسید فسفریک به دلایل زیر انتخاب می شود:

١. پایداری و کارایی خوب در دمای بالا
٢. حساسیت کم در برابر تغییرات غلظت co و co2
٣.فشار بخار کم
٤. انحلال خوب اکسیژن در اسید فسفریک
٥. قابلیت هدایت یونی در دمای بالا (بدون هدایت الکتریکی)
٦. خورندگی کم در دمای بالا
٧. زاویه تماس بالا با الکترود (بزرگتر از ٩٠)

اسید فسفریک یک مایع بی رنگ با ویسکوزیته بالاست. با این وجود اسیدفسفریک به صورت یک مایع آزاد مورد استفاده قرار نمی گیرد بلکه اسید فسفریک خالص با نقطه ذوب Cْ 42در بستر یک ماتریس متخلخل از جنس کربید (سیلسیم) قرار می گیرد. اگر دمای سری پیل سوختی به دمای محیط کاهش پیدا کند اسید فسفریک جامد شده وحجم آن افزایش مییابد و در اثر افزایش حجم، الکترودها آسیب می بینند با توجه به این موضوع باید دقت شود که دمای سری پیل سوختی در شرایط کارکرد پیل یا شرایط غیر فعال بودن پیل بیشتر از Cْ 45 شد. این موضوع محدودیت هایی را جهت استفاده از این نوع پیل سوختی اعمال میکند.
باکاهش غلظت اسید فسفریک دمای انجماد آن کاهش می یابد.برای شرایط کارکردی لازم است که از اسید فسفریک با غلظت بالاتر استفاده شود که دراین صورت در کنار سری این نوع پیل سوختی یک دستگاه حرارتی و سیستم کنترل فعال جهت کنترل دما لازم است. این سیستم حرارتی زمانی که پیل سوختی غیر فعال است دمای الکترولیت را بالاتر از نقطه انجماد نگه می دارد.

مزایا و معایب پیل سوختی اسید فسفریک:
مزایا:
۱‐ امکان استفاده همزمان از حرارت و الکتریسته تولیدی
۲‐ عدم حساسیت بهCO2
معایب:
۱‐ راندمان پایین نسبت به سایر انواع پیل سوختی% ۴۰-35
۲‐ کاهش دمای پیل سوختی به زیر45درجه سانتیگراد سبب جامد شدن الکترولیت و تخریب الکترودها می شود
٣‐ کاتالیست های گران قیمت

پیل سوختی کربنات مذاب

الکترود کاتد

الکترود در این نوع پیل سوختی متخلخل بوده ونفوذ گازدرآن براحتی امکان پذیر است. الکترود هایی با ساختار متخلخل امکان تماس مناسب میان گازهای واکنشگروالکترولیت مایع را ایجاد می کنند. الکترولیت کربنات مذاب،بسیار خورنده بوده که در این محیط، پایداری بعضی از فلزات و آلیاژ ها، وابستگی زیادی به ترکیب درصد گاز ورودی به الکترود خواهد داشت. تعداد کمی از فلزات از قبیل فلزات کمیاب در شرایط اکسید کننده الکترولیت کربنات مذاب واکسیژن پایدارهستند.

اکسید های فلزی تنها ترکیبات اقتصادی جهت تولید کاتد پیل سوختی کربنات مذاب هستند. موادی که در حال حاضر برای ساخت الکترود پیل سوختی کربنات مذاب مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

اکسید های نیکل لیتیم دار که از نیکل متخلخل که تحت عملیات اکسیداسیون و لیتیم دار شدن قرار گرفته است تهیه شده اند.

الکترودآند
الکترود آند در پیل سوختی کربنات مذاب در شرایط اتمسفر احیاء کننده کارمی کند. پتانسیل الکتریکی در این الکترود بین ٧٠٠ تا ١٠٠٠ میلی ولت کمتر از الکترود کاتد است. دراین شرایط فلزات زیادی در الکترولیت کربنات مذاب پایدارهستند به طور مثال بعضی از فلزات انتقالی جدول تناوبی کاتالیست های خوبی برای اکسیداسیون هیدروژن درالکترولیت کربنات مذاب هستند. نیکل، کبالت و مس اغلب به عنوان الکترود آند در پیل سوختی کربنات مذاب استفاده می شوند.

این فلزات اغلب به صورت آلیاژهای پودری و یا به صورت کامپوزیت با اکسیدها مورد استفاده قرار می گیرند. الکترود آند یک الکترودمتخلخل است و این ساختار متخلخل براثر فشار اعمال شده در سری پیل سوختی، تحت عملیات سینترینگ قرارمی گیرد و دربعضی موارد دچارخزش می شود.موادی نظیر کروم یا آلومینیم سبب توزیع یکنواخت پودر اکسیدها درساختار الکترود آند شده و در این حالت پایداری ساختار الکترود در برابر سینترینگ و خزش افزایش می یابد. ترکیبات جدیدتر برای الکترود آند پیل سوختی کربنات مذاب شامل آلیاژهایNi-Cr / Ni-Alمی شوند. ضخامت الکترودهای مدرن 0.4-0.8میلیمتر و تخلخل آنها0.55-0.75 است.

الکترولیت پیل سوختی کربنات مذاب

الکترولیت پیل سوختی کربنات مذاب مخلوطی از کربنات لیتیم، کربنات پتاسیم، به همراه میزان کمی کربنات سدیم و کربنات های فلزات قلیایی خاکی با نقطه ذوب تقریبا ٥٠٠ درجه سانتیگراد است. در پیل سوختی کربنات مذاب، الکترولیت علاوه بر هدایت یون ها، در جداسازی جریان های گازی نیز نقش موثری دارد.
فاکتور موثر در بهبود کارایی پیل سوختی کربنات مذاب، نوع توزیع الکترولیت است. توزیع یکنواخت الکترولیت درتمام سطح مقطع ماتریس الکترولیت الزامی است به طوری که الکترود به راحتی با الکترولیت در تماس قرار گیرد.

مزایا و معایب پیل سوختی کربنات مذاب:
مزایا:
۱‐ مبدل سوخت داخلی و امکان استفاده مستقیم از هیدرو کربنها
۲‐ راندمان بالا
۳‐ امکان به کارگیری در مولدهای دو منظوره
۴‐ طراحی سیستم نسبتا آسان
۵‐ عدم حساسیت بهCO, CO2
معایب:
۱‐ خورندگی بالای الکترولیت که طول عمر پیل سوختی را تحت تاثیر قرار می دهد.
۲‐ الکترولیت مایع
۳‐ خوردگی در اجزای مختلف
۴‐ مشکل چرخهCO2

پیل سوختی اکسید جامد

الکترود کاتد

با توجه به دمای بالای کارکرد پیل سوختی اکسید جامد، تعداد انتخابهای مناسب
برای کاتد بسیار محدود است.درپیل سوختی اکسید جامد، کاتد بایددارای مشخصات زیر باشد:

١ فعالیت بالایی جهت احیای اکسیژن داشته باشد.
٢ برای جمع کردن جریان مناسب بوده و مقاومت الکتریکی کمی داشته باشد.
٣ در شرایط کارکرد پیل، مقاومت شیمیایی و مکانیکی کافی داشته باشد.
٤ گران قیمت نباشد

در شرایط دمای بالا و اکسید کننده کاتد تعداد مواد مناسب به عنوان کاتد بسیار محدود است. این الکترود باید در یک محدوده وسیعی از غلطت و فشار جزئی اکسیژن پایدار بوده و با سایر اجزا وارد واکنش نشود در این شرایط میزان تصعید الکترود کاتد باید به قدری کم باشد که پاسخگوی زمان کارکرد طولانی مدت پیل سوختی باشد. هم چنین این الکترودها نباید در شرایط کارکرد پیل سوختی تغییر فاز دهند.
یکی ازپارامتر مهم تساوی یا نزدیک بودن ضریب انبساط حرارتی الکترود ها با لایه الکترولیت و در کل نزدیک بودن ضریب انبساط حرارتی اجزای مختلف پیل است. در غیر این صورت نوعی تنش ناشی از تفاوت در ضریب انبساط حرارتی در سیستم القا می شود.

الکترود آند
در اولین پیل های سوختی اکسید جامد، کک( (cokeو به دنبال آن پلاتین در آند مورد استفاده قرار می گرفت. ولی درحال حاضر آند پیل سوختی اکسید جامد از سرمیت نیکل تهیه می شود. به طور مثال مخلوط متخلخل نیکل یک حامل و نگه دارنده برای نیکل است که مانع از اثر سینترینگ نیکل شده و همچنین به
عنوان یک هدایت کننده یونی، سطح موثر برای واکنش اکسید شدن هیدروژن و مونوکسیدکربن را افزایش می دهد.
شرایط یک ماده برای استفاده شدن در آند پیل سوختی اکسید جامد به صورت زیر است:
۱. دارا بودن فعالیت کاتالیستی مناسب جهت اکسیداسیون گاز خوراک ورودی
٢. هدایت الکتریکی بالا
٣. پایداری در محیط احیا کننده آند
٤. میزان ضریب انبساط حرارتی برابر با الکترولیت و سایر اجزای پیل سوختی
٥. ساختار فیزیکی متخلخل مناسب جهت عبور دهی سوخت با کمترین مقاومت
٦. پایداری شیمیایی و فیزیکی در شرایط کارکرد پیل و عدم تغییر فاز در دمای بالای کارکرد پیل سوختی اکسیدجامد

الکترولیت پیل سوختی اکسید جامد
خواص لازم برای الکترولیت پیل سوختی اکسید جامد عبارتند از:
١. هدایت مناسب یون اکسیژن (هدایت یونی)
٢. عدم هدایت الکتریکی
٣. عدم واکنش پذیری با الکترودها
٤. نفوذ ناپذیر بودن در برابر عبور گازها یا به عبارت دیگر بالا بودن دانسیته (بدون خلل و فرج)
٥. پایداری طولانی در محیط های اکسید کننده و احیا کننده
٦. ضریب انبساط حرارتی متناسب با سایر اجزای پیل سوختی اکسید جامد.

مزایا و معایب پیل سوختی اکسید جامد
مزایا:
۱‐ مبدل سوخت داخلی و امکان استفاده مستقیم از هیدروکربنها
۲‐ راندمان الکتریکی بالا
۳‐ امکان به کارگیری در مولدهای دو منظوره
۵‐ عدم حساسیت بهCO, CO2
۶‐ ساختار تماما جامد
۷‐ عدم استفاده از فلزات گرانبها

معایب:
۱‐ فرآیند پیچیده تولید
۲‐ قیمت زیاد به علت فرآیند پیچیده و زمانبر تولید سری پیل سوختی
۳‐ شکنندگی اجزای سرامیکی
۴‐ ایجاد تنشهای حرارتی در سری پیل سوختی به علت دمای بالای کارکرد
۵‐ زمان طولانی شروع به کار پیل سوختی به واسطه دمای بالای کارکرد

پیل سوختی متانولی

الکترودها

الکترود آند

بازدهی آند پیل سوختی متانولی تابع میزان فعالیت کاتالیست، میزان مصرف شدن سوخت، سطح فعال و میزان انتقال جرم متانول است. به جز فعالیت کاتالیست، تمام خصوصیات فوق تابع میزان مصرف کاتالیست است. با تغییر میزان کاتالیست مصرفی میزان ضخامت لایه کاتالیست تغییر میکند. زمانی که متانول بروی سطح کاتالیست واکنش می دهد گاز COتولید می شود و گازCO. برروی سطح کاتالیست جذب می شود. COبر روی سطح کاتالیست پلاتین درپتانسیل الکترود بیشتر از6-5ولت اکسید شده و تبدیل بهCO2 می شود. در پتانسیل پایین الکترود آند پلاتین، امکان اکسید شدن COوجود ندارد. در این حالت مکان های فعال سطح الکترود آند بلوکه شده و واکنش اکسیداسیون متانول متوقف میشود. با توجه به موارد ذکر شده مشخص می شود که کاتالیست پلاتین به تنهایی در الکترود آند پیل سوختی متانولی قابل استفاده نیست و لازم است که از یک سیستم دیگر استفاده شود. یک ایده جهت کاهش مشکل سمی شدن کاتالیست، استفاده از یک الکتروکاتالیست دو جزئی در الکترود آند است به طوریکه این جزء مانع از سمی شدن کاتالیست شده و هم چنین سبب افزایش سرعت واکنش اکسیداسیون متانول شود

الکترود کاتد

عبور متانول از غشاء(الکترولیت) پیل سوختی متانولی به سمت کاتد پیل سوختی متانولی و حضور متانول در الکترودکاتد پیل سوختی متانولی سبب افزایش میزان کاتالیست مورد نیاز در کاتد پیل سوختی متانولی می شود. این میزان کاتالیست در الکترود کاتد پیل سوختی متانولی از کاتالیست مورد نیاز در پیل سوختیH2/air بیشتر است. میزان کاتالیست در کاتد در این حالت بسیار نزدیک به میزان کاتالیست مورد نیاز در آند است.

الکترولیت
الکترولیت مورد استفاده در پیل سوختی متانولی و پلیمری از جنس پلیمر هادی یونH+است و پلیمر تجاری که بیشترین کاربرد را در این زمینه داردNafionTMاست با توجه به ساختار این پلیمر، یک نوع جدایی فاز میان ساختار آب دوست و آب گریز مولکولهای این پلیمر ایجادمی شود. این جدایی فاز در محیط هیدراته، سبب بوجود آمدن کانال هایی می شود که امکان نفوذ یونH+از این مسیرها میسر می شود ولی به طور همزمان کانال هایی جهت عبور متانول و آب نیز ایجاد می شود. پدیده عبور متانول ازغشاء یکی از مشکلات مهم پیل سوختی متانولی است. عبور متانول از غشا سبب اتلاف سوخت متانول، ایجاد اختلال درعملکرد کاتد و کاهش راندمان پیل سوختی می شود.

مزایا و معایب پیل سوختی متانولی
مزایا:
۱‐ با استفاده مستقیم از متانول نیازی به ذخیره سازی هیدروژن و یا استفاده از دستگاه مبدل سوخت وجود ندارد.
۲‐ راندمان ذخیره سازی بالاتر متانول مایع نسبت به هیدروژن
۳‐ امکان ساخت مولدهای بسیار کوچک پیل سوختی متانولی برای استفاده در وسایل قابل حمل
۴‐ قابلیت کارکرد در دمای محیط

معایب:
1- دانسیته توان نسبتا پایین نسبت به سایر انواع پیل سوختی
۲‐ استفاده از کاتالیستهای گرانبها
3-سمی بودن متانول

پیل سوختی پلیمری

پیل سوختی پلیمری جزو پیل های سوختی دما پایین شناخته می شود. با توجه به دمای پایین کارکرد پیل سوختی پلیمری لازمست که در الکترودهای این پیل سوختی از کاتالیستهایی با کارایی بالا استفاده شود مهمترین کاتالیست مورد استفاده در پیل سوختی پلیمری، پلاتین است. نظر به اینکه قیمت کاتالیست پلاتین مورداستفاده در پیل سوختی پلیمری بسیار بالاست، تلاش های مستمری در راستای کاهش مقدار پلاتین مصرفی بعنوان کاتالیست در جریان میباشد. چرا که در نمونه های اولیه پیل سوختی پلیمری مقدار کاتالیست مصرفی بوده است. که موجب افزایش قیمت تمام شدة پیل سوختی می گشت.

الکترولیت یا غشای پیل سوختی
غشای هدایت کننده پروتون قلب یک پیل سوختی پلیمری است که باید دارای خصوصیات زیر باشد :

ارزان قیمت و قابل دسترس باشد.1
حلالیت جزئی و کلی در آب نداشته باشد.2
نفوذپذیری نسبت به گازهای واکنشگر نداشته باشد.3
هدایت یونی خوب در شرایط عملکرد پیل سوختی داشته باشد.4
5.تا دماهای ۱۲۰ درجه سانتیگراد و حتی بالاتر پایداری حرارتی و شیمیایی بالائی از خود نشان دهد.
پایداری شیمیایی در برابر اسیدها، رادیکال های آزاد و اکسیدکننده ها داشته باشد..6
در کاربری های صنایع حمل ونقل حداقل تا ۵۰۰۰ ساعت کارکرد مفید از خود نشان دهد.7
حلالیت اکسیژن در آن بالا باشد.8
مقاومت مکانیکی لازم و مناسب را دارا باشد.9

مزایا و معایب پیل سوختی پلیمری
برخی از مهم ترین مزایای استفاده از پیل سوختی پلیمری عبارتند از:
۱. راندمان بالا
۲. الکترولیت جامد و غیرخورنده
۳. دمای عملکرد پایین
۴. شروع به کار سریع
۵. دانسیته توان بالا
۶. عدم انتشار آلایندگی
۸. انعطاف پذیری در کاربرد
۹. محدوده وسیع توان تولیدی
۱۰ . طراحی ساده
۱۱ . سادگی تولید
۱۲ . استفاده ازهیدروژن یا سوخت های تبدیل شده
از معایب این نوع پیل سوختی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱. حساسیت به وجود منوکسیدکربن
۲. هزینه بالای کاتالیست غشاء
۳. محدود بودن تولیدکنندگان غشاء.