پردیس فناوری کیشطرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت گروه صنعت و مدیریت شیمی

پیل سوختی چیست؟

پیل سوختی دستگاهی است که از طریق یک واکنش شیمیایی برق تولید می‌‌کند. همه پیل‌‌های سوختی دو قطب الکتریکی (الکترود) به نام آند و کاتد دارند. در واقع، واکنش‌‌های شیمیایی در این الکترودها صورت می‌‌گیرد و منجر به تولید الکتریسیته می‌شود. علاوه بر این، هر پیل سوختی الکترولیت و کاتالیست نیز دارد؛ نقش الکترولیت جابه‌جایی ذرات باردار بین الکترودها است، در حالی که کاتالیست سرعت واکنش‌‌ها را در الکترودها افزایش می‌‌دهد.

با اینکه هیدروژن سوخت اصلی ورودی پیل‌‌ محسوب می‌‌شود، برای شکل گرفتن واکنش، به اکسیژن نیز نیاز است. یکی از بزرگ‌ترین جذابیت‌‌های پیل سوختی این است که الکتریسیته با کمترین میزان آلودگی تولید می‌شود. در واقع، بیشترین میزان از اکسیژن و هیدروژن ورودی به پیل، در نهایت به شکل یک محصول فرعی بی‌‌خطر، یعنی آب، ترکیب خارج می‌‌شود. عملاً، هر پیل سوختی مقدار خیلی کمی جریان مستقیم برق تولید می‌‌کند و به همین دلیل تعداد زیادی پیل در دسته‌‌های بزرگی که پشته یا استک (Stack) نامیده می‌‌شوند برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌‌گیرند.

تاریخچه پیل سوختی

علی‌رغم اینکه پیل سوختی از فناوری‌‌های نوین محسوب می‌‌شود، اما بیش از 150 سال موضوع آشنایی برای پژهشگران بوده است. ویلیام رابرت گروو (William Robert Grove) در سال 1838 «پیل گروو» را ساخت که الکترودهای پلاتینی غوطه‌‌ور در سولفات روی داشت و ۱۲ آمپر جریان با ولتاژ ۱٫۳ ولت تولید می‌‌کرد. پیش از این نیز، ویلیام نیکلسون (William Nicholson) و آنتونی کارلیسل (Anthony Carlisle) فرایند استفاده از برق را برای جداسازی اکسیژن و هیدروژن شرح داده بودند، اما به گفته خود گروو، «ترکیب گازها برای تولید برق گامی بسیار دورتر از آنچه تا آن زمان پیموده بودند به نظر می‌رسید.»

کریستین شوباین (Christian Schönbein)، دوست گروو، که مکاتبات وی را نیز انجام می‌‌داد، به همراه گروو، نظریه شیمیایی را مورد بحث قرار دادند و پاگندروف نیز نظریه برخورد را مورد بررسی قرار داد تا در نهایت بخش‌‌هایی از عملکرد و تئوری واکاوی شد. گروو با استفاده از نتایج این تحقیقات شاهکار خود را به اتمام رساند و اولین پیل سوختی را ساخت که «باتری گازی» نام گرفت.

فردریش ولیهلم اوستوالد (Friedrich Wilhelm Ostwald) یکی از بنیانگذاران شیمی‌‌فیزیک، درک زیادی از نحوه عملکرد پیل‌‌های سوختی فراهم کرد. در سال 1893 او به صورت تجربی ارتباط اجزای مختلف پیل را تشریح کرد: الکترودها، الکترولیت، عوامل اکسیداسیون و کاهش، آنیون‌‌ها و کاتون‌‌ها. در واقع، اوستوالد در امتداد حرفه و تخصص خود که شرح ارتباط خواص فیزیکی و واکنش‌‌های شیمیایی بود، معمای باتری گازی گروو را حل کرد. توضیحات او در مورد اصول شیمی نهفته در پیل سوختی، زمینه را برای کار محققان بعدی روی پیل سوختی فراهم کرد.

پیل سوختی چگونه کار می‌‌کند؟

هدف از ساخت پیل سوختی تولید جریان برق به گونه‌ای است که با جریان خروجی از پیل، مثلاً بتوان یک موتور الکتریکی را راه‌اندازی و یا چراغی روشن کرد. به دلیل ماهیت عملکردی الکتریسیته، جریان تولیدی در پیل سوختی در نهایت به آن باز می‌‌گردد تا یک مدار را کامل کند. در واقع، این واکنش‌‌های شیمیایی هستند که جریان را تولید می‌‌کنند و اصل عملکرد پیل سوختی را شکل می‌‌دهند.

انواع مختلفی پیل سوختی وجود دارد که تا حدی متفاوت از یکدیگر عمل می‌‌کنند، اما به طور کلی، اتم‌‌های هیدروژن به آند پیل وارد و در آنجا در یک واکنش شیمیایی یونیزه شده و دارای بار مثبت می‌‌شوند. جریان الکترون‌‌های جدا شده از هیدروژن، جریان داخل سیم را شکل می‌‌دهد. اگر جریان متناوب (AC) نیاز باشد، جریان مستقیم خروجی از پیل وارد دستگاه به نام اینورتر می‌‌شود تا به جریان متناوب مطلوب تبدیل شود.

در پیل سوختی، اکسیژن به کاتد وارد شده و در بعضی انواع پیل سوختی در آنجا با الکترون‌‌هایی که از مدار بر می‌‌گردند و یون‌های هیدروژن که از طریق الکترولیت از آند عبور کرده‌‌اند، واکنش می‌‌دهد. در انواع دیگر، اکسیژن به همراه الکترون‌‌ها از الکترولیت گذشته و در آند با یون هیدروژن واکنش می‌‌دهد.

الکترولیت نقشی کلیدی در پیل سوختی ایفا می‌‌کند، زیرا باید به یون‌‌های مشخصی اجازه عبور بین کاتد و آند را بدهد. اگر الکترون‌‌های آزاد یا ذرات دیگر بتوانند از الکترولیت عبور کنند، واکنش شیمیایی را دچار اختلال خواهند کرد.

ترکیب هیدروژن و اکسیژن چه در آند اتفاق بیفتد و چه در کاتد، ماحصل آن آب خواهد بود که از پیل خارج می‌‌شود. می‌‌توان گفت تا وقتی که ورودی اکسیژن و هیدروژن پیل تأمین شود، برق نیز تولید خواهد شد.

مزیت دیگر پیل سوختی در مقایسه با دیگر منابع این است که پیل سوختی به صورت شیمیایی برق تولید می‌کند و نه با واکنش احتراق؛ بنابراین محدودیت‌‌های قوانین ترمودینامیکی مانند محدودیت کارنو را ندارد و در نتیجه، پیل سوختی در استخراج انرژی از یک سوخت، بهینه‌‌تر و کارآمدتر عمل می‌‌کند. علاوه ‌‌بر این، حرارت اتلافی پیل را نیز می‌‌توان کنترل و از آن برای افزایش کارایی سیستم استفاده کرد.

اما چرا نمی‌‌توان پیل سوختی را به راحتی تهیه کرد؟ با اینکه تشریح طرز کار پیل سوختی دشوار نیست، اما ساخت یک پیل سوختیِ کم‌‌هزینه، کارآمد و قابل اطمینان کار بسیار دشواری است.

محققان و مخترعان برای دستیابی به کارآمدی بیشتر، مدل‌‌های مختلفی از پیل را طراحی کرده‌‌اند که جزئیات فنی هر کدام متفاوت از دیگری است. در ساخت پیل، مسئله‌ای که بیشترین محدودیت را برای سازندگان ایجاد می‌‌کند، انتخاب الکترولیت است. برای مثال، طراحی الکترودها و انتخاب مواد سازنده آن‌ها به الکترولیت بستگی دارد. امروزه انواع الکترولیت‌‌های متداول عبارتند از: آلکالی، کربنات مذاب، اسید فسفریک، غشاء تبادل پروتون (PEM) و اکسید جامد. سه نوع اول الکترولیت مایع دارند و دو مدل آخر الکترولیت جامد.