اگر چه پیل سوختی 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 می گردد. او اولین پیل سوختی را در سال ۱۸۳۹ با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.

واژه "پیل سوختی" در سال ۱۸۸۹ توسط لودویک مند و چارلز لنجر به کار گرفته شد. آنها نوعی پیل سوختی که هوا و سوخت ذغال سنگ را مصرف می کرد، ساختند. تلاش های متعددی در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیل سوختی انجام شد که به دلیل عدم درک علمی مسئله هیچ یک موفقیت آمیز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.

فصلی دیگر از تاریخچه تحقیقات پیل سوختی 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 می باشد. این اختراع که اولین پیل سوختی قلیایی بود، “Bacon Cell” نامیده شد. او ۲۷ سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیل سوختی کامل وکارا ارائه نماید. بیکون در سال ۱۹۵۹ پیل سوختی با توان ۵ کیلووات را تولید نمود که می توانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری را تامین نماید.

تحقیقات جدید در این عرصه از اوایل دهه ۶۰ میلادی با اوج گیری فعالیت های 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 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. ایالات متحده فن آوری پیل سوختی را در برنامه فضایی Gemini استفاده نمود که اولین کاربرد تجاری پیل سوختی بود.

پرت و ویتنی دو سازنده موتور هواپیما پیل سوختی قلیایی بیکن را به منظور کاهش وزن و افزایش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضایی آپولو به کار بردند. در هر دو پروژه پیل سوختی بعنوان منبع انرژی الکتریکی برای فضاپیما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پیل های سوختی برای فضانوردان آب آشامیدنی نیز تولید می کرد. پس از کاربرد پیل های سوختی در این پروژه ها، دولت ها و شرکت ها به این فن آوری جدید به عنوان منبع مناسبی برای تولید انرژی پاک در آینده توجه روزافزونی نشان دادند.

از سال ۱۹۷۰ فنآوری پیل سوختی برای سیستم های زمینی توسعه یافت. تحریم نفتی از سال۱۹۷۳ ۱۹۷۹ موجب تشدید تلاش دولتمردان امریکا و محققین در توسعه این فن آوری به جهت قطع وابستگی به واردات نفتی گشت.

در طول دهه ۸۰ تلاش محققین بر تهیه مواد مورد نیاز، انتخاب سوخت مناسب و کاهش هزینه استوار بود. همچنین اولین محصول تجاری جهت تامین نیرو محرکه خودرو در سال۱۹۹۳ توسط شرکت بلارد ارائه شد.

کاربردهای پیل سوختی نیروگاهی

بازار مولدهای نیروگاهی پیل سوختی بسیار گسترده است و کاربردهای دولتی، نظامی و صنعتی را شامل می شود. همچنین به عنوان نیروی پشتیبان در مواقع اضطراری در مخابرات، صنایع پزشکی، ادارات، بیمارستان ها، هتل های بزرگ و سیستم های کامپیوتری به کار می رود.

پیل های سوختی نسبتاً آرام و بی صدا هستند لذا جهت تولید برق محلی مناسبند. علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه ها می توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.

این نیروگاه ها در مصارف کوچک بازدهی الکتریکی بالایی دارند و همچنین در ترکیب با نیروگاه های گاز طبیعی بازدهی الکتریکی آنها به ۷۰ ۸۰% می رسد.

مزیت دیگر این نیروگاه ها عدم آلودگی محیط زیست است. خروجی نیروگاه های پیل سوختی بخار آب می باشد.

نیروگاه های پیل سوختی قابلیت استفاده از سوخت های مختلف مانند متانول، اتانول، هیدروژن، گاز طبیعی، پروپان و بنزین را دارند و مانند سایر نیروگاه ها محدود به استفاده از یک منبع انرژی خاص نیست. از زمانیکه اولین پیل سوختی نیروگاهی در دهه ۶۰ تولید گشت، تا کنون در مجموع ۶۵۰ سیستم کامل با توان بیش از ۱۰ کیلووات (میانگین آن ۲۰۰ کیلووات است) ساخته شد. تقریباً ۹۰ درصد از این واحدها با گاز طبیعی تغذیه می شود. البته استفاده از سوخت های جایگزین نظیر بیوگاز و گاز ذغال نیز پیشرفت قابل ملاحظه ای داشته است. در این بخش نیروگاه انواع متنوع پیل سوختی به کار رفته است. در ابتدا از پیل سوختی اسید فسفریک آغاز گردید و سپس پیل سوختی پلیمری و پیل سوختی کربنات مذاب جایگزین آن گشتند. در حالیکه پیل سوختی اکسید جامد در آینده بازار را به قبضه در خواهد آورد.

در بخش پیل های سوختی نیروگاهی کوچک (زیر ۱۰ کیلووات) نیز رشد قابل ملاحظه ای را شاهد بودیم. تعداد این واحدها اکنون به ۱۹۰۰ رسیده است. این سیستم جهت مصارف خانگی و بازارهایی از قبیل UPS ونیروی پشتیبان در اماکن دوردست کاربری دارد. نیمی از محصولات در آمریکای شمالی توسعه یافته است.

در بخش سیستم های نیروگاهی کوچک ۲۰ درصد سهم بازار را پیل سوختی اکسیدجامد و مابقی را پیل سوختی پلیمری تشکیل می دهد. بازار پیل سوختی کوچک در ژاپن که به مصارف خانگی اختصاص دارد، منحصراً با پیل سوختی پلیمری است و امید است تا انتهای سال ۲۰۰۵ محصولات به بازار عرضه گردند.

فروش تعدادی از واحدهای نیروگاهی کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سیستم GenCore شرکت Plug Power می باشد(توان ۵ کیلووات، ۱۵۰۰۰ دلار)

دولت ژاپن حمایت خود از توسعه پیل های سوختی نیروگاهی در ابعاد بزرگ را از سال ۱۹۸۰ آغاز نموده است و شرکت های ژاپنی گاز توکیو و Osaca از بزرگترین شرکت های توسعه دهنده این فن آوری می باشند.

انواع پیلهای سوختی

پیلهای سوختی در انواع زیر موجود می باشند:

ـ پیلهای سوختی اسیدفسفریکی

ـ پیلهای سوختی پلیمری

ـ پیلهای سوختی اکسید جامد

ـ پیلهای سوختی قلیایی

ـ پیلهای سوختی متانولی

مزایای پیل سوختی چیست؟

راندمان بالا، حداقل نشر آلاینده های زیست محیطی،امکان استفاده از سوختهای فسیلی و پاک، مدولار بودن و قابلیت تولید همزمان حرارت و الکتریسیته و استفاده در کاربردهای تولید غیرمتمرکز انرژی از جمله مزایای پیل سوختی می باشند.

روشهای تولید پیل سوختی

جدیدترین راه تولید پیل سوختی

لوی تامپسون، پرفسور مهندسی شیمی و رئیس تیم تحقیقاتی پیل سوختی جدید در این مورد چنین می گوید: «ما به سامانه ای رسیده ایم که بسیار مشابه سامانه هایی است که برای تولید ابزارهای میکرو الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد.»

روشی که پرفسور تامپسون و تیم همکار او به آن رسیده اند، استفاده از میکروفابریکیشن است. میکروفابریکیشن خلق ساختارهای فیزیکی، ابزار و مواد مرکبی است که اجزای تشکل دهنده آنها در حدود یک میکرومتر هستند. میکروالکترونیک ها منبع انرژی کالاهای بسیار زیادی هستند از کارت تبریک صوتی گرفته تا کامپیوترهای قابل حمل.

تامپسون یکی از بزرگترین موانع استفاده تجاری و گسترده از پیل های سوختی را هزینه بالای ساخت آن می داند. برای اینکه از این منبع در مصارف روزمره استفاده کرد، باید هزینه تولید آن پایین تر بیاید تا مثلا در یک کامپیوتر قابل حمل مورد استفاده قرار گیرد.

در شیوه معمول کنونی، پیل های سوختی، مشابه خودروها تولید می شوند یعنی قطعات مختلف آنها به صورت جداگانه ساخته می شوند و سپس روی هم سوار می شوند تا یک پیل سوختی تولید شود. این کار گستره بسیار زیادی دارد و علاوه بر هزینه بالای آن، که به آن اشاره شد نیاز به زمان بسیار زیادی دارد. اما گروه تحقیقاتی تامپسون با استفاده از فرآیند پیشرفته میکروفابریکیشن، نسل جدید پیل های سوختی را می سازد. این بار به جای تولید جداگانه پیل سوختی، آنها به صورت لایه لایه ساخته می شوند، روشی که در حال حاضر برای ساخت ابزارهای میکروالکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد.

محققان دانشگاه میشیگان امیدوارند با استفاده از این فن آوری ارزان قیمت و همچنین استفاده از مواد ارزانتر، قیمت پیل های سوختی را از ۱۰ هزار دلار برای هر کیلو وات به ۱۰۰۰ دلار برسانند.

با این قیمت، پیل های سوختی می توانند با باتری های یون لتییوم که در سطح وسیع مورد استفاده قرار می گیرند رقابت کنند.

دانشگاه میشیگان استفاده از میکروفابریکیشن برای تولید پیل سوختی را دو سال و نیم پیش آغاز کرد. اولین بازار آنها وسایل برقی است، ولی آنها در گام بعدی می خواهند از پیل های سوختی در اتومبیل ها استفاده کنند.

سوخت تازه برای پیل های سوختی

با استفاده از اسیدفرمیک به عنوان سوخت غیرقابل اشتعال در پیل های سوختی محصولات الکترونیکی قابل حمل بدون اتصال به شبکه برق کار می کنند. شرکت های BASE و Tekion توسعه دهنده پیل های سوختی مینیاتوری برای محصولات قابل حمل به منظور توسعه اسیدفرمیک به عنوان سوخت برای فناوری پیل سوختی Tekion تفاهم نامه ای امضا کردند.BASE بزرگترین تولید کننده اسیدفرمیک در دنیا محسوب می شود و قصد دارد با همکاری Tekion، فرمولاسیون مناسبی را برای اسیدفرمیک تهیه و آزمایش کند. این دو شرکت همچنین در زمینه توسعه کدها و استانداردهای مرتبط با این موضوع نیز فعالیت خواهند داشت و تجربه هایشان را در زمینه سازگاری این مواد برای پیل های سوختی به اشتراک می گذارند. بر اساس این گزارش، اولین کاربرد تجاری محصولات Tekion، یک نمونه «بسته انرژی» است که درون دستگاه های الکترونیکی قابل حمل جای گرفته یا به آنها متصل می شود تا این دستگاه ها بتوانند بدون اتصال به شبکه برق کار کنند. این بسته یک سیستم هیبریدی باتری پیل سوختی مینیاتوری است که با نام تجاری بسته انرژی Formira در بازار موجود است و سوخت گیری آن با تعویض کارتریج اسیدفرمیک صورت می گیرد. این فناوری برای استفاده در محصولات الکترونیکی قابل حمل در محدوده توانی کمتر از ۵۰ وات با انرژی کمتر از ۱۰۰ وات ساعت طراحی شده و از مزایای قابل توجهی برخوردار است.

ساخت پیل سوختی با نیروی باکتری

تیمی متشکیل از میکروبیولوژیست ها، مهندسین و متخصصان شیمی زمین از دانشگاه های کالیفرنیای جنوبی و رایس به منظور ساخت پیل های سوختی ( به اندازه یک کف دست) با نیروی محرکه باکتری برای تامین انرژی هواپیماهای جاسوسی همکاری مشترک خود را آغاز کردند. نیروی هوایی آمریکا از مدتها قبل در پی تولید وسایل نقلیه هوایی در مقیاس مینیاتوری (به اندازه حشرات) بود، اما تاکنون این خواسته به دلیل نداشتن منبع انرژی فشرده مناسب ناکام مانده است.

این گروه تحقیقاتی امیدوار است با سرمایه گذاری ۴/۴ میلیون دلاری مرکز تحقیقات دانشگاهی در وزارت دفاع (MURI) بتواند با تولید نخستین نمونه بدون سرنشین، طی پنج سال آینده این اندیشه را محقق سازد. بر اساس این گزارش، در دانشگاه رایس به منظور درک چگونگی اتصال و اثر متقابل باکتری Sewanella بر سطوح آند در پیل سوختی، تحقیقاتی در حال انجام است.

آند در پیل سوختی و باتری ها، وظیفه جمع آوری الکترون اضافی را بر عهده دارد و این تیم قصد دارد شرایط بهینه انتقال الکترون ها در سطح آند در شرایط مختلف را تعیین کند.

اجزای اصلی این سیستم باکتری، سطح و محلول هضم کننده باکتری است که تغییر هر یک از این عوامل روی دو عامل دیگر مؤثر بوده و هدف، یافتن شرایط بهینه عملکرد سیستم کلی است.

دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در زمینه روش های ژنتیکی، حفظ متابولیسم تنفسی میکروب ها در محیط های با اکسیژن کم، تحقیقاتی انجام داده است. Sewanella یکی از این باکتری ها برای متابولیسم کامل غذا به جای اکسیژن از فلز استفاده می کند و از آنجا که این ارگانیسم قادر است مستقیما الکترون ها را به اکسید فلزی جامد انتقال دهد، می توان آن را در آند پیل سوختی مورد استفاده قرار داد.

در مطالعه پیل سوختی به منظور ارزیابی رفتار باکتری در شرایط مختلف از مدل های رایانه ای استفاده شده است که انجام این آزمایش ها توسط رایانه، موجب تمرکز آزمایش های تجربی روی روش های مناسب تر و صرفه جویی در زمان و هزینه خواهد شد.

یکی دیگر از انگیزه های وسوه برانگیز بکارگیری پیل سوختی

شرکت جنرال موتورز قصد دارد با برنامه ای بلند مدت، سوخت هیدروژن را به صورت همه گیر در خودروها مورد استفاده قرار دهد.

در حال حاضر شش میلیارد و ۴۰۰ میلیون انسان بر روی کره زمین زندگی می کنند و این آمار تا سال ۲۰۲۰ به هفت میلیارد و ۵۰۰ میلیون نفر خواهد رسید. در همین حال پیش بینی می شود، در مدت زمان فوق شمار افرادی که صاحب خودرو می شوند ۱۲ تا ۱۵ درصد رشد داشته باشد و این بدان معنی است که تعداد خودروها که در حال حاضر در حدود ۷۷۵ میلیون دستگاه برآورد شده است، تا سال ۲۰۲۰ به بیش از یک میلیارد و ۱۰۰ میلیون دستگاه خواهد رسید. بنابراین کاهش مصرف سوخت و آلاینده های محیط زیست اهمیت بسیار زیادی پیدا می کند که در این میان شرکت خودروسازی جنرال موتورز آمریکا با معرفی تکنولوژی پیل سوختی هیدروژنی توانسته است امید به جابجایی بدون آلودگی رادر آینده افزایش دهد.

لذا توسعه خودروهای پیل سوختی به سرعت در جهان در حال رشد است، به طوری که در حال حاضر شرکت های خودروسازی جنرال موتورز و اوپل بیش از یک میلیارد دلار صرف تحقیقات در این تکنولوژی کرده اند.

"هیدروژن ۳ اوپل" ثابت کرده است که رانندگی با خودروهای متفاوت، مسیر خود را از آزمایشگاه به جاده هموار کرده است و نمونه اولیه آن در حال حاضر با همکاری شرکت سازنده مبلمان ایکیا (IKEA) در حال گذراندن آزمایشهای متفاوت است و سکوئل (Seqel) جنرال موتورز به تولید خودروهای با پیل سوختی نزدیک تر شده است.

"هیدروژن ۳ اوپل"؛ دونده دو ماراتن، قهرمان مسابقات رالی

"هیدروژن ۳ اوپل" جانشین نمونه اولیه هیدروژنی است که در بهار سال ۲۰۰۰ معرفی شد و از روی طرح خودرو زافیرا اوپل ساخته شده بود.

نیروی برق این خودرو توسط ۲۰۰ قطعه پیل سوختی که به صورت سری به یکدیگر متصل شده اند، تولید می شود. این پیل ها نیروی موتور برقی ۸۲ اسب بخار بر ۶۰ کیلووات هیدروژن ۳ را تامین می کند. این نیروگاه که حداکثر ۲۱۵NM گشتاور توسعه می دهد، حداکثر سرعتی برابر با ۱۶۰ کیلومتر بر ساعت تولید می کند و در کمتر از ۱۶ ثانیه از صفر تا ۱۰۰ کیلومتر در ساعت شتاب می گیرد که در حالتی کاملا بی صداست.

در مسابقات ماراتن تابستان سال ۲۰۰۴، هیدروژن ۳ اوپل توانست بدون هیچ مشکلی ۹ هزار و ۶۹۶ کیلومتر را در ۱۴ کشور مختلف اروپایی طی کند. در آوریل سال ۲۰۰۵ نیز این خودرو توانست جایزه مسابقات رالی مونت کارلو را برای وسایل نقلیه دارای پیل سوختی از آن خود کند.

شرکت خودروسازی اوپل اکنون در حال گسترش تکنولوژی آزمایشهای پیل سوختی با همکاری شرکت سوئدی ایکیا می باشد. وسایل نقلیه پیل سوختی هیدروژن ۳ که عاری از آلاینده های زیست محیطی می باشد از اوایل تابستان سال گذشته تحویل کالاها به مشتریان ایکیا را در برلین آغاز کرده است. سوخت این وسایل نقلیه با هیدروژن مایع تامین می شود.

آزمایشهای این خودروها تحت نظارت پروژه همکاری انرژی پاک دولت آلمان انجام می شود که عملکرد انرژی ۱۷ خودرو با سوخت هیدروژنی را تحت شرایط خاص آزمایش می کند.

بزرگترین جایگاه سوخت گاز هیدروژنی جهان در پاییز سال ۲۰۰۴ در پایتخت آلمان آغاز به کار کرد و قرار است علاوه بر گاز هیدروژن و هیدروژن مایع، بنزین و گازوئیل نیز به مردم ارایه کند.

سکوئل جنرال موتورز

خودروی سکوئل جنرال موتورز محصولی است که تمامی نتایج تحقیقات فشرده که طی چند سال اخیر از سوی بزرگترین خودروساز جهان انجام شده است را در بر دارد؛ پروژه ای که جنرال موتورز بیش از یک میلیارد دلار در آن سرمایه گذاری کرده است. این خودرو جادار به گونه ای طراحی شده است که کمترین آلایندگی محیط زیست را دارد. در این خودرو سه منبع با فشار بالا تعبیه شده است که موقعیت آنها در میانه شاسی باعث بهبود مرکز ثقل خودرو می شود. این خودروها که از اصلاحات فنی بسیار زیادی نیز بهره مند می باشند منحصر به فرد هستند.

خودروی سکوئل جنرال موتورز به دلیل افزایش ۲۵ درصدی نیرو توسط تکنولوژی جدید می تواند سرعت صفر تا ۱۰۰ کیلومتر را در کمتر از ۱۰ ثانیه به دست آورد.