مقالات › دانشنامه برق 

یک سلول سوختی (Fuel cell) از طریق یک واکنش شیمیایی و بدون احتراق، برق تولید می کند. این سلول هیدروژن و اکسیژن را به آب تبدیل کرده و در طول این فرآیند تولید برق می کند. در واقع این سلول یک دستگاه مبدل انرژی الکتریکی است که برق، آب و گرما تولید می کند. سلول های 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 می کند و زمانی که مواد شیمیایی تمام شود عمر باتری به اتمام می رسد.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.

                                                                        

واکنش هایی که در الکترودها رخ می دهد باعث تولید الکتریسیته می شوند.هر سلول سوختی دارای دو الکترود است، یک الکترود مثبت، که آند نامیده می شود، و یک الکترود منفی، کاتد نامیده می شود. 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 می نماید. در قطب کاتد اکسیژن با یون و الکترون واکنش نشان داده و تولید آب و حرارت می نماید.به تعریف دیگر، در آند پیل سوختی پلیمری واکنش اکسیداسیون انجام می گردد و الکترون تولید شده وارد مدار خارجی شده و سپس به کاتد وارد می شود. 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 می گردد. این سلول به تنهائی0.7 ولت نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌کند که برای روشنایی یک لامپ کوچک کافی می‌باشد. اگر این پیل ها به صورت سری قرار گیرند قادر به تولید برق با توان چندین مگاوات می‌باشند.

                                                                          

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 لودویک مند 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 توسط مند 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.


                                          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.


از آنجایی که سلول های سوخت هیدروژن، آلودگی هوا یا گازهای گلخانه ای تولید نمی کنند،  به طور چشمگیری می توانند باعث بهبود محیط زیست شوند.

سلول های سوختی 2 تا 3 برابر راندمان بالاتری نسبت به موتورهای احتراقی دارند. برای کاربردهای co-generation، که سلولهای سوختی هم برق و گرما تولید می کنند، راندمان می تواند نزدیک به 80 درصد برسد.

سلول های سوختی هیدروژنی، گرما  و آب تولید می کنند و فاقد سموم، ذرات و یا گازهای گلخانه ای می باشد، که به معنی  تولید کننده هوای پاک به حساب می آیند.

انواع مختلفی  از سلول های سوختی وجود دارد و هر کدام می توانند با استفاده از سوخت های مختلف از جمله هیدروژن، گاز طبیعی، متانول، اتانول، بیوگاز کار کنند.

سلول های سوختی  در مقیاس های مختلف ازمیلی وات تا مگاوات، برای کاربردهای مختلف همچون استفاده در تلفن های همراه،  اتومبیل ها، و ساختمانها و ...  به کار برده می شوند.

سلول های سوختی می توانند به آسانی با سایر فن آوری های انرژی، مانند باتری، توربین های بادی، پانل های خورشیدی و فوق خازن ها مورد استفاده قرار گیرند.