پیل شیمیایی

نخستین باتری متشکل از پیلهای سوختی که در سال ۱۸۳۹ ساخته شد, جریان الکتریسیته را از هیدروژن و اکسیژن تغذیه شده به الکترودهای خنثی در اسید سولفوریک تولید کرد

پیل سوختی ، پیل الکتروشیمیایی اولیه است که در آن ، الکتریسته مستقیما بر اثر واکنش سوخت گازی یا سوخت مایع تولید می‌شود که این سوخت با یکی از الکترودها تغذیه می‌شود و اکسیژن یا هوا به الکترود دیگر می‌رود. برای آنکه بهره این پیل استمرار داشته باشد، الکترودها و الکترولیت بین آنها باید در اثر واکنش ثابت بمانند.

در این مورد ، پیل سوختی با سایر پیلهای اولیه که در آنها اجزای فعال با الکترودها یکی می‌شود و در خلال واکنش از نظر شیمیایی تغییر می‌کنند، تفاوت دارد. وقتی الکترودها خالی شدند، باید پیل عوض شود. در پیلهای ثانویه ، الکترودها و الکترولیت را می‌توان از طریق شارژ کردن یعنی ، با گذراندن جریانی در جهت مخالف جریان تخلیه دوباره پرکرد.

● تاریخچه

نخستین باتری متشکل از پیلهای سوختی که در سال ۱۸۳۹ ساخته شد، جریان الکتریسیته را از هیدروژن و اکسیژن تغذیه شده به الکترودهای خنثی در اسید سولفوریک تولید کرد. در خلال قرن نوزدهم ، تلاش پیگیری به عمل آمد تا از اکسیداسیون الکتروشیمیایی مستقیم سوختهای متداول از قبیل زغال سنگ یا منوکسید کربن و هیدروژن حاصل از زغال سنگ ، الکتریسته تولید شود. نمکهای مذاب و نیز محلولهای آبی به‌عنوان الکترولیت بکار گرفته شدند.

هر چند که همه ، اصول مهم کار را می‌شناختند و مهارت بسیاری هم برای گسترش کار به عمل آمد، هیچ یک از این کارهای اولیه به ساخت وسایلی که قابل رقابت با مولدهای بخاری یا نیروی آب باشند، منجر نشد. این واکنشها ، فاقد کارایی و سرعت لازم بودند و عمر پیل هم بسی کوتاه بود.

● سیر تحولی و رشد

بعد از جنگ جهانی دوم ، علاقه زیادی برای تکمیل پیلهای سوختی و باتری‌های سوخت قابل استفاده عملی ایجاد شد. از اوایل سال ۱۹۳۲ ، پژوهشگران دانشگاه کمبریج انگلستان ، درباره امکان ساخت باتری‌های عملی قابل استفاده برای تامین نیروی زیاد ، تحقیق خود را آغاز کرده بودند. توفیق آنان در مورد پیلهای دارای دما و فشار زیاد ، انگیزه کارهای دیگری را در شوروی (سابق) ، آلمان غربی (سابق) و هلند به قصد تولید برق در مقیاس وسیع بوجود آورد.

در اواخر دهه ۱۹۵۰ ، با توجه به پیشرفت‌های ناشی از تکنولوژی جدید ، نیازهای برنامه نظامی ‌و فضایی و فشار برای کاستن از آلودگی جوی معلول موتورهای درونسوز و نیروگاهها ، منجر به این شد که صدها میلیون دلار به تحقیق و توسعه پیلهای سوختی اختصاص یابد. هیدروژن ، منوکسید کربن ، الکل متیلیک ، هیدرازین و برخی از هیدروکربنهای ساده‌تر ، به‌عنوان سوخت بکار رفتند.

● انواع الکترولیت

انواع الکترولیت‌های مورد استعمال عبارت از قلیای غلیظ یا محلول‌های اسید معمولا با دمای زیر ۱۴۸ درجه سانتی‌گراد بودند. برخی پیلها اکسید تغییر یافته زیرکونیم را که از لحاظ یونی ، هادی بود، به‌عنوان الکترولیتی جامد در دماهای نزدیک به ۹۸۲ درجه سانتی‌گراد بکار می‌برند. الکترودها معمولا از فلزات دارای کربن تشکیل می‌شدند و در دمای پایین‌تر کاتالیزوری بکار برده می‌شد تا سرعت واکنش را به اندازه معقول افزایش دهد.

● پیل‌های سوختی مورد استفاده در تحقیقات فضایی

تعداد معدودی انواع پیل‌های سوختی به‌صورت سیستمهای باتری با عملکرد کامل و وسیله‌های الحاقی ، برای ذخیره و تامین مهار شدند. سوخت و اکسید کننده ، برای انتقال گرما و فرآورده‌های واکنشی ساخته شد. دو نوع از چنین سیستمهایی که با هیدروژن مایع و اکسیژن کار می‌کردند، به نحوی موفقیت‌آمیز ، نیروی الکتریکی لازم را برای تجهیزات فضایی حامل فضانورد را در آمریکا فراهم آوردند.

الکترودها از جنس پلاتین سیاه و پلی‌تترا‌فلورو اتیلن بودند. باتری بزرگتر ، سفینه آپولو ، سیستمی‌ بود که بر اساس الکترودهای نیکلی دارای خلل و فرج و الکترود هیدروکسید پتاسیم ، با کارکردی در دمای ۲۴۸ درجه سانتی‌گراد و بالاتر ، ساخته شده بود. باتری‌های کوچکتر ۶۰ تا ۲۴۰ واتی که برای تولید نیرو و دستگاههای رادیویی نظامی ‌قابل حمل تکمیل شدند که با هیدرازین یا هیدروژن حاصل از هیدارتهای فلزی به‌عنوان سوخت و هوا به‌عنوان اکسید کننده کار می‌کردند.