پیل سوختی چیست؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، 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.

سلول‌های سوختی بیشتر شبیه به باتری بوده با این تفاوت که برای شارژ شدن به برق نیازی ندارند. یک باتری مواد شیمیایی را داخل خود ذخیره کرده و انرژی شیمیایی را به الکتریسته تبدیل می‌کند و زمانی که مواد شیمیایی تمام شود عمر باتری به اتمام می‌رسد. به صورت مشابه، پیل سوختی از مخزنی از انرژی شیمیایی برای تولید برق استفاده می‌کند و تا زمانی که سیلندر هیدروژن و منبع اکسیژن (معمولا هوا) به اتمام نرسیده باشد، کار می‌کند. هیدروژن به عنوان سوخت در نظر گرفته می‌شود، گرچه در پیل سوختی هیچ گونه واکنش سوختنی صورت نمی‌گیرد. در فرایندی متفاوت از سوختن و با بازده بالاتر، اکسایش (oxidation) الکتروشیمیایی هیدروژن برای تولید برق صورت می‌پذیرد. در طول فرایند اکسایش، اتم‌های هیدروژن با اتم‌های اکسیژن برای تولید آب واکنش می‌دهند؛ در نتیجه الکترون‌ها آزاد می‌شوند و از طریق مدار خارجی جریان می‌یابند


معروف‌ترین نوع پیل سوختی در حال حاضر پیل سوختی هیدروژنی است. انواع دیگر پیل سوختی مانند پیل سوختی متانول نیز کاربرد‌های خاصی دارند. در مورد پیل سوختی هیدروژنی می‌توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز آب استفاده می‌گردد، به عبارت دیگر از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌گردد. هر سلول در پیل‌های سوختی از سه جز آند، کاتد و الکترولیت و غشا تشکیل شده‌است.


واکنش‌هایی که در الکترود‌ها رخ می‌دهد باعث تولید الکتریسیته می‌شوند. هر سلول سوختی دارای دو الکترود است، یک الکترود مثبت، که آند نامیده می‌شود، و یک الکترود منفی، کاتد نامیده می‌شود. این الکترود‌ها به وسیله یک الکترولیت از هم جدا شده اند.

در قطب آند، هیدروژن بر روی یک کاتالیزور واکنش داده و تولید یک یون با بار مثبت و الکترون با بار منفی می‌کند. پروتون به وجود آمده از محیط الکترولیت گذر کرده حال آنکه الکترون در فضای مدار حرکت می‌کند و تولید جریان می‌نماید. در قطب کاتد اکسیژن با یون و الکترون واکنش نشان داده و تولید آب و حرارت می‌نماید. به تعریف دیگر، در آند پیل سوختی پلیمری واکنش اکسیداسیون انجام می‌گردد و الکترون تولید شده وارد مدار خارجی شده و سپس به کاتد وارد می‌شود. یون مثبت تولیدی در آند با عبور از غشاء (الکترولیت) به قسمت کاتد رفته و در حضور کاتالیزور با اکسیژن هوا و ا. لکترونی که از مدار خارجی به قسمت کاتد واردشده است به آب تبدیل می‌گردد.

این سلول به تنهائی ۰.۷ ولت نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌کند که برای روشنایی یک لامپ کوچک کافی می‌باشد. اگر این پیل‌ها به صورت سری قرار گیرند قادر به تولید برق با توان چندین مگاوات می‌باشند.


تاریخچه پیل سوختی

اگر چه پیل‌سوختی به تازگی به عنوان یکی از راهکار‌های تولید انرژی الکتریکی مطرح شده است، ولی تاریخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر می‌گردد. او اولین پیل‌سوختی را در سال ۱۸۳۹ با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.

واژه "پیل‌سوختی" در سال ۱۸۸۹ توسط لودویک‌مند و چارلز لنجر به کار گرفته شد. آن‌ها نوعی پیل‌سوختی که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف می‌کرد، ساختند. تلاش‌های متعددی در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیل‌سوختی انجام شد که به دلیل عدم درک علمی مسئله هیچ یک موفقیت آمیز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتور‌های بخار کمرنگ گردید.

تحقیقات بر روی پیل‌سوختی توسط فرانسیس بیکن از دانشگاه کمبریج انجام شد. او در سال ۱۹۳۲ بر روی ماشین ساخته شده توسط‌مند و لنجر اصلاحات بسیاری انجام داد. این اصلاحات شامل جایگزینی کاتالیست گرانقیمت پلاتین با نیکل و همچنین استفاده از هیدروکسیدپتاسیم قلیایی به جای اسید سولفوریک به دلیل مزیت عدم خورندگی آن می‌باشد. این اختراع که اولین پیل‌سوختی قلیایی بود، “Bacon Cell” نامیده شد. او ۲۷ سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیل‌سوختی کامل وکارا ارائه نماید. بیکون در سال ۱۹۵۹ پیل‌سوختی با توان ۵ کیلووات را تولید نمود که می‌توانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری را تامین نماید.

تحقیقات جدید در این عرصه از اوایل دهه ۶۰ میلادی با اوج گیری فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مرکز تحقیقات ناسا در پی تامین نیرو جهت پرواز‌های فضایی با سرنشین بود. ناسا پس از رد گزینه‌های موجود نظیر باتری (به علت سنگینی)، انرژی خورشیدی (به علت گران بودن) و انرژی هسته‌ای (به علت ریسک بالا) پیل‌سوختی را انتخاب نمود.

تحقیقات در این زمینه به ساخت پیل‌سوختی پلیمری توسط شرکت جنرال الکتریک منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضایی Gemini استفاده نمود که اولین کاربرد تجاری پیل‌سوختی بود.


اساس عملکرد پیل سوختی و باتری مشابه است. با این حال تفاوت‌هایی وجود دارد که در جدول زیر مشاهده می‌کنید:

پیل سوختی باتری (گالوانیک)

سیستم باز سیستم بسته

آند و کاتد گاز هستند که در سطح کاتالیست پلاتینیوم با هم در تماس‌اند. آند و کاتد فلزی هستند.

واکنش‌گر‌ها به مقدار زیاد وجود دارند و نیاز به شارژ نیست. واکنش‌گر‌ها داخلی هستند و نیاز به شارژ مجدد وجود دارد.


مزایای پیل سوختی
- دارای عملکرد زیست محیطی
از آنجایی که سلول‌های سوخت هیدروژن، آلودگی هوا یا گاز‌های گلخانه‌ای تولید نمی‌کنند، به طور چشمگیری می‌توانند باعث بهبود محیط زیست شوند.

- راندمان بالای انرژی
سلول‌های سوختی ۲ تا ۳ برابر راندمان بالاتری نسبت به موتور‌های احتراقی دارند. برای کاربرد‌های co-generation، که سلول‌های سوختی هم برق و گرما تولید می‌کنند، راندمان می‌تواند نزدیک به ۸۰ درصد برسد.

- مزایای بهداشتی و سلامتی
سلول‌های سوختی هیدروژنی، گرما و آب تولید می‌کنند و فاقد سموم، ذرات و یا گاز‌های گلخانه‌ای می‌باشد، که به معنی تولید کننده هوای پاک به حساب می‌آیند.

- انعطاف پذیری سوخت
انواع مختلفی از سلول‌های سوختی وجود دارد و هر کدام می‌توانند با استفاده از سوخت‌های مختلف از جمله هیدروژن، گاز طبیعی، متانول، اتانول، بیوگاز کار کنند.

- همه کاره
سلول‌های سوختی در مقیاس‌های مختلف ازمیلی وات تا مگاوات، برای کاربرد‌های مختلف همچون استفاده در تلفن‌های همراه، اتومبیل ها، و ساختمان‌ها و ... به کار برده می‌شوند.

- مکمل
سلول‌های سوختی می‌توانند به آسانی با سایر فن آوری‌های انرژی، مانند باتری، توربین‌های بادی، پانل‌های خورشیدی و فوق خازن‌ها مورد استفاده قرار گیرند.