مقدمه

پیل سوختی یکی از واحدهای انرژی تجدیدپذیر است که امروزه با توجه به مشکلات محیطی مورد توجه قرار گرفته است. انرژی و راهکارهای متفاوت دست‌یابی به آن، از دغدغه‌های مهم انسان قرن بیست و یک محسوب می‌شود. رقابت کشورهای مختلف بر سر تامین منابع سوختی بحثی است که نه تنها به کشورهای پیشرفته، بلکه به کل جامعه جهانی، اعم از کشورهای درحال توسعه و جهان سومی معطوف می‌شود. افزایش انرژی بهای سوخت‌های فسیلی در دهه‌ی اخیر، دشواری‌ها و معضلات محیطی استفاده از انرژی هسته‌ای و طبیعت محدود و تجدیدناپذیر سوخت‌های متداول، دلایلی است که تحقیقات در یافتن منابع جدید انرژی را وسعت داده است. این منابع باید دارای ویژگی‌هایی باشند. از آن جمله:
دسترسی آسان، تجدیدپذیری، فاقد آلودگی زیست‌محیطی، انرژی بالا، قیمت پایین، ذخیره‌سازی آسان و قابلیت حمل با صرفه‌ی اقتصادی است.

۱-پیل سوختی

گروه اندکی از انرژی‌ها در حال حاضر در این دسته قرار می‌گیرند. از جمله انرژی‌هایی که سال‌هاست به‌طور گسترده مورد پژوهش قرار گرفته، انرژی پیل سوختی است. پیل سوختی وسیله‌ای است شبیه باتری که انرژی الکتروشیمیایی را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. ساختار کلی و اساس کار پیل سوختی مطابق واکنش‌هایی است که در یک سلول گالوانی یا ولتایی صورت می‌گیرد، البته با کمی تفاوت!! پیل سوختی به‌طور ساده شامل دو الکترود متخلخل و یک الکترولیت جامد یا مایع است که این اجزاء مداری بسته برای هدایت یون‌ها ایجاد می‌کند (همان ساختار سلول گالوانی خودمان). اما منبع تامین انرژی در پیل سوختی، عنصر هیدروژن است. هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی در پیل سوختی از منابع مختلفی نظیر فراورده‌های نفتی (حدود ۷۷%) زغال سنگ (حدود۱۸%) ، الکترولیز آب (۴%) و (۱%) منابع دیگر تامین می‌شود. همان‌طور که می‌بینید سهم عمده تامین حامل هیدروژن، هیدروکربن‌هایی است که به‌طور متداول در سوخت فسیلی وجود دارد، اما تفاوت کاربرد آنها در پیل سوختی این است که در این دستگاه از سوختن هیدروکربن‌ها به‌طور مستقیم خبری نیست و تولید الکتریسیته توسط فعل و انفعالات هیدروژن موجود در سوخت فسیلی و اکسیژن هوا، بدون فرایند احتراق صورت می‌پذیرد. (Cold combustion process).

۲-۱- ساختار پیل سوختی

انواع مختلفی از پیل سوختی وجود دارد که تفاوتِ‌شان در نوع الکترولیت آنهاست. علاوه بر این، ترکیبات مختلفی از سوخت و اکسنده و همچنین کاتالیست‌های آندی و کاتدی نیز امکان‌پذیر است. سوخت‌ها می‌تواند دیزل، بنزین، یا متانول و حتی گاز طبیعی و متان باشد. هوا، کلر یا دی-اکسید-کلر می‌تواند به‌عنوان اکسنده در پیل به‌کار رود.

یک واحد پیل سوختی از سه بخش مشخص تشکیل شده است. آند (الکترود منفی)، الکترولیت و کاتد (الکترود مثبت). نحوه‌ی واکنش در پیل سوختی به این صورت است که در آند با دخالت یک کاتالیست، هیدروژن (H₂) الکترون خود را از دست داده و به پروتون یون (⁺H) و الکترون آزاد (^–e) تبدیل می‌شود. پروتون از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کند. الکترولیت ترکیبی است به حالت جامد یا مایع و طوری طراحی شده که تنها پروتون (و نه الکترون) از خلال آن قادر به عبور کردن است. از عنصر پلاتین معمولا به عنوان کاتالیست در مجاورت آند یا یون هیدروژن استفاده می‌شود.

الکترون نیز از طریق مدار خارجی (در اینجا یک سیم متصل به منبع نوری مانند لامپ) به سوی کاتد هدایت می‌شود. سپس یون‌ها و الکترون‌ها در مجاورت کاتد با اکسیژن واکنش داده و تولید آب می‌کنند. حرکت الکترون از آند به کاتد از طریق مدار خارجی جریان برق را به‌وجود می‌آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است و آب حاصل در کاتد نیز می‌تواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد. از عنصر نیکل معمولاً به‌عنوان کاتالیست در قطب کاتد استفاده می‌شود.

یک واحد (سلول) پیل سوختی معمولی ولتاژی در حدود ۶/۰ تا ۷/۰ ولت تولید می‌کند. برای تولید ولتاژ بالا، تعداد زیادی از این ساختارهای ساندویچ مانند به‌صورت سری و موازی به یکدیگر بسته می‌شوند. (stack). راندمان این پیل‌ها ۵۰ % تا بالای ۷۰ تا ۸۰ درصد در مواردی است که از راندمان یک موتور احتراقی (راندمان ۴۰%) در تولید انرژی الکتریکی بیشتر است.

۲-۲- مزایای پیل سوختی

از مهم‌ترین مزایای پیل‌های سوختی راندمان بالا در تولید انرژی و اتلاف بسیار کمِ انرژی و حرارت، آلایندگی کم، قابلیت نقل و انتقال و نصب آسان و هزینه‌های نگهداری کم، قابل اعتماد بودن سیستم، کم صدا و کم حجم بودن دستگاه، انعطاف‌پذیر بودن با انواع سوخت مصرفی و مواردی از این دست است که همگی این مزایا، پیل سوختی را به‌عنوان منبع تولید‌کننده انرژی بسیار مناسب در وسایل نقلیه، تجهیزات همراه یا پرتابل و سایر پایانه‌های ثابت نظیر نیروگاه‌های تولید برق با توان‌های متفاوت قابل بهره‌برداری کرده است. همچنین قابلیت تامین انرژی ساختمان‌ها به‌خصوص در شرایطی که دسترسی به شبکه سراسری امکان‌پذیر نیست یا ساختمان‌هایی که قطع برق در آن جبران‌ناپذیر است نظیر بیمارستان‌ها یا دکل‌های مخابراتی، از این نوع منبع انرژی جای‌گزین به‌خوبی بهره‌برداری شده است.

۳-۲- کاربردهای پیل سوختی

• طرح اولیه سپس در سال‌های ۵۸ – ۱۹۵۵ توسط دو شیمی‌دان از شرکت جنرال الکتریک به نام‌های نیدراش (Niedrach) و گراب (Grubb) بهبود داده شد و توسط ناسا برای پروژه سفینه فضایی جمینی به‌کار گرفته شد. در سال ۱۹۵۹ مهندس انگلیسی، فرانسیس توماس بیکن، مدلی از یک پیل سوختی ۵ کیلو-واتی ساخت که بعدها به‌عنوان منبع تامین کننده برق و آب آشامیدنی در شاتل‌های فضایی به‌کار گرفته شد.
• پیل سوختی در ابتدا برای سفینه‌های فضایی طراحی و ساخته شد اما امروزه در اکثر وسایل نقلیه به‌کار می‌رود. اتومبیل‌های برقی با موتورهای سوخت هیدروژن که انرژی خود را از واکنش هیدروژن و اکسیژن در موتور تامین می‌کند و گاز خروجی از اگزوز بخار آب (H₂o) است. بازده این اتومبیل‌ها ۳ برابر موتورهای سوخت بنزینی است. امروزه در صنعت حمل و نقل، شرکت‌های بزرگ اتومبیل‌سازی در تلاشند تا هر چه سریع‌تر این تکنولوژی را در تولید خودروهای نسل جدید خود به‌کار گرفته و پیل سوختی را به مرحله بهره‌برداری تجاری برسانند.
• در تجهیزات الکترونیکی نظیر لپ‌تاپ، گوشی‌های همراه، اعضای مصنوعی مانند سمعک و تجهیزات دیگری که نیاز به باتری با دوام و عمری برای تامین انرژی است، این پیل سوختی جای‌گزین بسیار مناسب باتری‌های نسل پیشین است، چرا که کاربر را از شارژ باتری بی‌نیاز می‌کند.