سلول سوختی دستگاهی است الکتروشیمیایی كه انرژی شیمیایی حاصل از یك واكنش شیمیایی را به انرژی الكتریكی مفید تبدیل می‌كند. تبدیل انرژی در سلول، تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الكتریكی است.

   عملكرد سلول سوختی مانند باتری نیست كه انرژی را ذخیره كند، بلكه در سلول سوختی انرژی از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شود، به‌طوری‌که در این تبدیل مواد داخل سلول مصرف نمی‌شود. همچنین چگالی انرژی باتری كمتر از سلول سوختی است و فرآیند شارژ نمودن باتری، بسیار پیچیده‌تر از پر كردن تانك سوخت سلول سوختی است. در باتری‌ها بعد از چندین بار شارژ شدن توان تبدیلات الکتروشیمیایی كاهش می‌یابد، حال آنكه در سلول‌های سوختی چنین محدودیتی وجود ندارد، به عنوان مثال توده سلول‌های سوختی كار كرده در یك خودرو قابل انتقال به خودرو جدید است.

   همان‌طور كه اشاره شد سلول سوختی انرژی شیمیایی نهفته در سوخت‌ها را مستقیماً به انرژی الكتریكی تبدیل می‌كند، از همین رو تولید توان در آن‌ها با راندمان بالا و كمترین اثر مخرب بر محیط زیست همراه است، زیرا فرآیندهایی كه در داخل سلول سوختی انجام می‌شود و منجر به تولید توان و گرما می‌شود با روش‌هایی كه امروزه برای تولید توان رایج هستند، متفاوت است. ‌ سلول‌های سوختی با قوانین ترمودینامیكی حاكم بر موتورهای حرارتی همچون چرخه كارنو و راندمان كارنو محدود نمی‌شوند. به علاوه از آنجا كه هیچ احتراقی در این سلول‌ها صورت نمی‌گیرد با تولید كمترین آلاینده‌ای نسبت به سیستم‌های تولید توان دیگر كار می‌كند.

   سلول‌های سوختی را در اصل می‌توان مشابه با فرآیند الكترولیز دانست، در حقیقت بعضی از سلول‌های سوختی، معكوس فرآیند الكترولیز كار می‌كنند به همین علت این نوع سلول‌ها (سلول‌های سوختی بازگشت‌پذیر) برای ذخیره انرژی بكار می‌روند.

   در تئوری، سلول‌های سوختی از انواع مختلف سوخت و اكسیدان می‌توانند استفاده كنند اما امروزه بیشتر از گاز طبیعی (به علت صرفه اقتصادی) یا هیدروژن به عنوان عامل كاهنده و از هوا به عنوان عامل اكسنده استفاده می‌شود.

سلول واحد (Unit Cell)

   سلول‌های واحد هسته تشکیل‌دهنده پیل‌های سوختی می‌باشند، در این سلول‌ها انرژی شیمیایی سوخت به انرژی الكتریكی تبدیل می‌شود. ساختار اصلی این سلول‌ها شامل یک‌لایه الكترولیت است كه در یك سمت با الكترود آند و در سمت دیگر با الكترود كاتد در تماس است.

اساس كار سلول واحد

   در انواع سلول‌های سوختی، سوخت (هیدروژن) به طور پیوسته آند (الكترود منفی) را تغذیه می‌كند و یك اكسیدان (اغلب اكسیژن موجود در هوا) نیز دائماً كاتد (الكترود مثبت) را تغذیه می‌كند. واكنش‌های الكتروشیمیایی در هر یك از الكترودها رخ می‌دهد، می‌دانیم هر اتم هیدروژن یك پروتون و یك الكترون دارد كه با از دست دادن الكترون در آند به پروتون تبدیل می‌شود و به‌این‌ترتیب قابلیت عبور از الكترولیت را به دست می‌آورد (الكترون‌ها نمی‌توانند از الكترولیت عبور كنند). پروتون از الكترولیت عبور می‌كند و الكترون‌ها از طریق اتصال خارجی به كاتد می‌رسند. در كاتد، الكترون‌ها، اكسیژن جذب شده روی كاتد و پروتون‌ها تشكیل آب می‌دهند كه از سیستم خارج می‌شود.

   اساس كار انواع سلول‌های سوختی شبیه یكدیگر است. در سلول‌های سوختی با عملكرد در دمای پایین بین دو واکنش‌دهنده پروتون و اكسیژن حائلی قرار گرفته كه از سه فاز تشكیل شده است و عبارت‌اند از: الكترولیت و دو پوشش كاتالیزوری روی الكترودها. طبیعت و نوع این حائل نقش اساسی در عملكرد الکتروشیمیایی سلول سوختی دارد، به ویژه در مورد سلول‌های سوختی كه الكترولیت آن‌ها مایع است. در چنین سلول‌هایی گازهای واکنش‌دهنده از لایه نازك الكترولیت (كه مرطوب كنند خلل و فرج الكترود است) نفوذ می‌كند و واكنش شیمیایی روی سطح الكترود مربوط انجام می‌شود. اگر منافذ الكترود توسط مقدار اضافی الكترولیت پوشانیده شود در این صورت نقل و انتقال ذرات در فاز الكترولیت به سمت محل واكنش محدود می‌شود كه در نتیجه عملكرد الكتروشیمیایی كاهش می‌یابد. به‌این‌ترتیب مشخص می‌شود كه لازم است موازنه دقیق و ظریفی بین الكترود، الكترولیت و فازهای گازی در منافذ الكترود وجود داشته باشد. در سلول‌های سوختی با عملكرد در دمای بالا، حائل، لایه نازك الكترولیت است، الكترولیت علاوه بر اینكه رسانای یون‌ها بین الكترودها است، مانعی فیزیكی برای جلوگیری از انحراف جریان سوخت و اكسیدان از مسیر اصلی است.

توده سلول سوختی (Fuel Cell Stacking)

   ولتاژ و توان خروجی از یك سلول واحد سوختی بسیار كم است به همین علت برای كاربرد عملی از این فناوری باید سلول‌های واحد را به روش‌های استاندارد با یكدیگر تركیب كرد تا یك توده‌ی سلول سوختی ایجاد شود تا بتوان برای كاربردهای گوناگون از توان آن استفاده كرد. عموماً توده‌ی سلول سوختی شامل مجموعه‌ای از سلول‌های واحد است كه توسط قطعات رسانای الكتریكی با یكدیگر سری شده‌اند. آرایش‌های مختلف دیگری برای توده‌های سلول وجود كه در زیر اشاره خواهد شد.

توده دووجهی ـ دوقطبی (Planar-Bipolar Stacking)

   چیدمان بیشتر توده‌ی سلول‌های سوختی به‌صورت دووجهی ـ دوقطبی است. هر سلول سوختی واحد با سلول مجاور خود توسط قطعات رسانای الكتریكی (interconnect) در تماس است. مزیت این نوع چیدمان سلول‌ها این است كه قطعات رسانای الكتریكی می‌توانند سه نقش را ایفا كنند.

1. ایجاد تماس الكتریكی سری مابین سلول‌های مجاور بخصوص در سلول‌های صفحه تخت
2. ایجاد مانعی به‌منظور جداسازی جریان سوخت و اكسیدان از سلول‌های مجاور
3. در بیشتر موارد با ایجاد كانال‌هایی روی این صفحات می‌توان جریان سوخت و اكسیدان را بر روی سلول‌ها توزیع كرد.

توده‌های دووجهی ـ دوقطبی از نظر وضعیت جریان یافتن سوخت و اكسیدان نسبت به یكدیگر نیز دارای ویژگی‌های دیگری نیز می‌باشند كه عبارت‌اند از:

1. جریان سوخت و هوا می‌تواند بر یكدیگر عمود باشد (Cross-flow).
2. جریان سوخت و هوا به‌صورت موازی و در یك جهت باشد و در مورد سلول‌های دایروی به معنی جریان شعاعی خارجی است (Co-flow).
3. جریان سوخت و هوا به صورت موازی اما در جهت مخالف یكدیگر باشد (Counter-flow).
4. جریان سوخت و هوا در مسیرهای زیگزاگی عبور می‌كند (Serpentine flow).
5. جریان حلزونی كه فقط در مورد سلول‌های دایروی بكار می‌رود (Spiral flow).

   انتخاب نوع جریان گازها وابسته به نوع سلول سوختی، كاربرد و دیگر موارد از جمله توجیه اقتصادی است.

توده‌ سلول‌های استوانه‌ای (Stacks with Tubular Cell)

   برای استفاده از سلول‌های سوختی در دمای بالا، توده‌ی سلول‌ها با سلول‌های استوانه‌ای گسترش یافته است. ویژگی بارز سلول‌های استوانه‌ای در آب‌بندی و درزبندی آن‌هاست كه باعث به وجود آمدن یك ساختار یكپارچه از سلول‌های سوختی می‌شود، این نوع سلول‌های سوختی توانایی تولید توان با چگالی بالا را دارند و به همین دلیل از این نوع سلول‌های سوختی در بخش نیروگاهی استفاده می‌شود.

   سلول‌های سوختی استوانه‌ای را به صورت‌های مختلف می‌توان آرایش داد، كه در اینجا به دو نمونه اشاره می‌شود. یكی از روش‌ها كه كاربرد بیشتری دارد این است كه صفحات رسانای الكتریكی بر روی استوانه قرار گرفته و سپس سلول‌ها به‌صورت مماسی در كنار یكدیگر قرار گرفته و یك آرایش مستطیلی را تشكیل دهند. روش دیگر این است كه سلول‌های سوختی را در امتداد یكدیگر بكار ببرند.

سیستم سلول سوختی (Fuel Cell System)

   در ادامه توده سلول سوختی به سیستم سلول سوختی پرداخته می‌شود. سیستم‌های سلول سوختی نیازمند تجهیزات و نیز سیستم‌های دیگر (sub-systems) است كه اصطلاحاً بالانس مجموعه (Balance of Plant (BoP))نامیده می‌شود، تركیب توده سلول و بالانس مجموعه، تشكیل سیستم سلول سوختی را می‌دهد. چگونگی طراحی و ساخت بالانس مجموعه وابستگی زیادی به نوع سلول سوختی، نوع سوخت و كاربرد آن دارد.

تجهیزات اصلی سیستم‌های سلول سوختی عبارت‌اند از:

پیش‌تولید سوخت (Fuel preparation)

   زمانی كه از سوخت خالص استفاده نمی‌شود (هیدروژن خالص) سیستم نیازمند تجهیزاتی است تا با یك سری عملیات بر روی سوخت و انجام اصلاحاتی بر روی آن، سوخت را آماده وارد شدن به سلول سوختی.

منبع هوا (Air supply)

   بیشتر سیستم‌های سلول سوختی به‌منظور تأمین اكسیژن نیازمند تجهیزاتی از قبیل كمپرسور هوا یا فن و فیلتر هوا می‌باشند.

كنترل گرما (Thermal management)

   تمام سیستم‌های سلول سوختی نیازمند كنترل دقیق دمای توده سلول سوختی می‌باشند.

كنترل آب (Water management)

   قسمت‌هایی از سلول سوختی برای ادامه عملكرد خود نیازمند رطوبت و آب می‌باشند و از آنجا كه در واكنش‌های سلول، آب تولید می‌شود، سیستم نیازمند تجهیزاتی است كه برای عملكرد بهتر، میزان آب سیستم را كنترل كند.

مبدل جریان مستقیم به متناوب (Electric power conditioning equipment)

   برق خروجی از سلول سوختی، جریان مستقیم (DC) است كه قابل استفاده در تجهیزات معمولی نیست به همین دلیل سیستم نیازمند یك مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب (AC) است.