پیل سوختی (Fuel Cell)

     پیل سوختی از سیستم های بالقوه نوین تبدیل انرژی است که می تواند انرژی شیمیایی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل کند. به عبارتی پیل های سوختی قادر به تامین همزمان الكتریسیته و حرارت به روش الكتروشیمیایی با بازدهی بالا و حداقل آلودگی محیطی هستند. در روش الکتروشیمیایی، كه به عبارتی می توان آن را عمل الكترولیز معكوس قلمداد كرد، انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت های فسیلی، بدون احتراق استخراج می شوند. بازدهی بالای پیل های سوختی نسبت به نیروگاه های مرسوم به دلیل حذف شدن چرخه كارنو در پیل های سوختی است.

   به سبب مزایای عمده پیل های سوختی از آن ها جهت تولید انرژی در نیروگاه ها و کاربردهای نظامی و تجاری از قبیل خودروها و وسایل الکتریکی قابل حمل استفاده می کنند. اگرچه پیل سوختی اجزاء و ویژگی های مشابه یک باطری را دارد اما از بسیاری جهات با آن متفاوت است. پیل های سوختی، راه حل مناسبی برای مشكلات مختلف مربوط به انرژی هستند.

تاریخچه استفاده از پیل های سوختی

   اگر چه پیل سوختی اخیرا به عنوان یکی از روش های تولید الکتریسیته مطرح شده است ولی تاریخچه آن به قرن نوزدهم برمی گردد. سر ویلیام گرو (Sir William Grove) دانشمند انگلیسی اولین کسی بود که به صورت تصادفی هنگام انجام فرآیند الکترولیز آب (شکل (1). تصویر سمت چپ) متوجه شد که فرآیند عکس الکترولیز نیز امکان پذیر است و در فرآیند عکس الکترولیز، جریان الکتریکی تولید و برقرار می شود. این وسیله به باتری گازی (شکل (1). تصویر سمت راست) معروف گردید زیرا تا زمانی که گاز داخل لوله ها بود برق تولید می شد. او همچنین با سری قرار دادن لوله ها توانست میزان جریان تولیدی را افزایش دهد.

شکل (1). تصویر سمت چپ: فرآیند الکترولیز آب - تصویر سمت راست: فرآیند تولید آب (فرآیند پیل سوختی)

شکل (2). ساختار سری باتری گازی ویلیام گرو

  واژه پیل سوختی در سال 1889 توسط لودویگ مند (Ludwig Mond) و چارلز لنجر (Charles Langer) با ساخت اولین پیل سوختی با سوخت هوا و زغال سنگ به کار گرفته شد. تلاش های متعددی در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیل سوختی انجام شد که به دلیل عدم درک علمی مساله هیچ یک موفقیت آمیز نبود و با کشف سوخت های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.

   در سال 1932 فرانسیس بیکن (Francis Bacon) بر روی پیل سوختی چارلز لنجر اصلاحات بسیاری مانند جایگزینی کاتالیست گران قیمت پلاتین با نیکل و همچنین استفاده از هیدروکسید پتاسیم قلیایی به جای اسید سولفوریک به دلیل عدم خورندگی انجام داد. این اختراع که اولین پیل سوختی قلیایی بود پیل بیکن (Bacon cell) نامیده شد. پس از 27 سال تحقیقات، بیکن توانست یک پیل سوختی کامل و کارا ارائه دهد. بیکن در سال 1959 پیل سوختی با توان 5 کیلووات را تولید نمود که می توانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری را تامین نماید.

شکل (2). تصویر فرانسیس بیکن و پیل سوختی بیکن

   اولین کاربرد تجاری پیل سوختی به پروژه فضایی جمینی(Gemini) آمریکا در دهه 1960 باز می گردد. مرکز تحقیقات ناسا برای تامین نیروی مورد نیاز پروازهای فضایی پس از رد گزینه های موجود نظیر باتری (به علت سنگینی)، انرژی خورشیدی (به علت گران بودن) و انرژی هسته ای (به علت ریسک بالا) پیل سوختی را انتخاب نمود. تحقیقات در این زمینه به ساخت پیل سوختی پلیمری توسط شرکت جنرال الکتریک منجر شد. علاوه بر این، پرت((Prattو ویتنی(Whitney) در برنامه فضایی آپولوپیل سوختی قلیایی بیکن را به منظور کاهش وزن و افزایش طول عمر اصلاح نموده و به کار گرفتند.در پروژه آپولو پیل های سوختی علاوه بر تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز، برای فضانوردان آب آشامیدنی نیز تولید می کردند.

   تحریم های نفتی در دهه 1970 محققان را مجبور ساخت تا برای قطع وابستگی به واردات نفتی تلاش های زیادی را در جهت توسعه فن آوری پیل های سوختی انجام دهند. در طول دهه 1980 تلاش محققان بر تهیه مواد مورد نیاز، انتخاب سوخت مناسب و کاهش هزینه استوار بود و همزمان با جنگ خلیج فارس به صورت تجاری به بازار عرضه شد. از همان سال به بعد تلاش های زیادی جهت تجاری سازی پیل سوختی انجام گرفت. با وجود تلاش های گسترده انجام شده، موانع زیادی بر سر راه تجاری سازی پیل های سوختی در مقیاس بالا وجود دارد که باید مرتفع گردد