پیل‌های سوختی و صنعت هوایی

تولید مستقیم الکتریسیته بدون محدودیت ترمودینامیکی چرخه کارنو جهت تبدیل انرژی شیمیایی حاصل از سوخت به انرژی گرمایی و مکانیکی و در نهایت الکتریسیته می‌باشد که اتلاف انرژی را به حداقل مقدار ممکن می‌رساند و به بازده تئوری بالایی دست پیدا می‌کنیم. معروف‌ترین نوع پیل سوختی 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 پیل سوختی دارای دو الکترود (آند و کاتد) و یک الکترولیت مابین این دو الکترود و غشا به منظور جدا کردن دو بخش پیل می‌باشد. در قطب آند، هیدروژن بر روی یک کاتالیزور واکنش داده و تولید دو یون با بار مثبت و دو 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 می‌نماید. در قطب کاتد اکسیژن با یون و الکترون واکنش نشان داده و تولید آب و حرارت می‌نماید. این سلول به تنهایی ۰.۷ ولت نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌کند که برای روشنایی یک لامپ کوچک کافی می‌باشد. اگر این پیل‌ها به صورت سری قرار گیرند قادر به تولید برق با توان چندین مگاوات می‌باشند، واکنش کلی در زیل نشان داده شده است.

H2(g) → 2H+ + 2e-

O2(g) + 4H+ + 4e- → 2H2O(g)

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)

مزایای پیل‌های سوختی

پیل سوختی آلودگی ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی را حذف نموده و تنها محصول جانبی آن آب می‌باشد. در صورتیکه هیدروژن مصرفی حاصل از الکترولیز، آب باشد نشر گازهای گلخانه‌ای به صفر می‌رسد. به دلیل وابسته نبودن به سوخت‌های فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی اقتصادی کشورهای ناپایدار اقتصادی را حذف می‌کند. با نصب پیل‌های سوختی نیروگاهی کوچک، شبکه غیر متمرکز نیرو گسترده می‌گردد. پیل‌های سوختی راندمان بالاتری نسبت به سوخت‌های فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارند. هیدروژن در هر مکانی از آب و برق تولید می‌گردد. لذا پتانسیل تولید سوخت، غیرمتمرکز خواهد شد. اکثر پیل‌های سوختی در مقایسه با موتورهای متداول بسیار بی صدا هستند. انتقال گرما از پیل‌های دما پایین بسیار کم می‌باشد لذا آن‌ها را برای کاربردهای نظامی مناسب می‌کند. زمان عملکرد آن‌ها از باتری‌های متداول بسیار طولانی‌تر است. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفی می‌توان زمان عملکرد را دو برابر نمود و نیازی به دو برابر کردن خود پیل نمی‌باشد. سوخت‌گیری مجدد پیل‌های سوختی به راحتی امکان پذیر می‌باشد و هیچ‌گونه اثرات حافظه‌ای بر جای نمی‌گذارد. به علت عدم وجود اجزای متحرک نگهداری از آن‌ها بسیار ساده می‌باشد. نصب و بهره برداری از پیل‌های سوختی بسیار ساده و مقرون به صرفه می‌باشد. پیل‌های سوختی مدوالر می‌باشند یعنی به راحتی توان تولیدی از آن‌ها قابل افزایش می‌باشد .این مولدها قابلیت تولید همزمان برق و حرارت را دارند. امکان استفاده از سوخت‌های تجدیدپذیر و سوخت‌های فسیلی پاک در آن‌ها وجود دارد. به میکروتوربین‌ها متصل می‌گردند. پیل سوختی به تغییر بار الکتریکی پاسخ می‌دهد. پیل سوختی امکان تولید برق مستقیم با کیفیت بالا را دارد. میزان بازدهی آن‌ها نسبت به سلول‌های دیگر بیش‌تر است.

پیل سوختی و صنعت هوایی

در اواخر دهه 90 استفاده از پیل‌های سوختی به عنوان منبع تولید توان در هواپیماهای بدون سرنشین مورد توجه پژوهشگران قرار گرفت. در شکل زیر بخشی از تاریخچه استفاده از پیل سوختی در هواپیماهای بدون سرنشین نمایش داده شده است. همانگونه که مشاهده می‌کنید، استفاده از پیل سوختی در سیستم‌های پیشران هوایی، به خصوص در هواپیماهای بدون سرنشین گسترش چشمگیری داشته است. 

مثلا در سال 2003 هواپیمای کوچک هورنت Hornet با وزن تقریبی 170 گرم و طول بال 38 سانتی متر و مداومت پروازی 15 دقیقه که توسط شرکت آرووارومنت ساخته شد با استفاده از فناوری پیل سوختی پلیمری طراحی و ساخته شد.

جدول زیر به مقایسه چند نمونه پیشران پیل سوختی در هواپیماهای متفاوت پرداخته است.