پیلهای سوختی فن‌آوری جدیدی برای تولید انرژی هستند که بدون ایجاد آلودگی‌های زیست محیطی و صوتی، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده، انرژی الکتریکی با بازدهی بالا تولید می‌کنند. به طور کلی پیل سوختی وسیله ایست که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و…) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل میکند.
پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است. این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از بازدهٔ بالایی برخوردار است. در واقع 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.
عملکرد پیل سوختی مانند باتری نیست که انرژی را ذخیره کند بلکه پیل سوختی حالتی از انرژی را به حالت دیگری تبدیل میکند، به طوری که در این تبدیل مواد داخل پیل مصرف نمی‌شوند. گاز هیدروژن به دلیل تمایل واکنش دهندگی بالا، فراوانی و عدم آلایندگی محیط زیست، به عنوان سوخت ایده‌آل در پیل‌سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
واکنش در آند H2 ۲H+ + ۲e
واکنش در کاتد O2 + 4H+ + 4e -2H2O
واکنش کلی ۲H2 + O2 2H2O
براى سرعت بخشیدن به روند انجام واکنش یاد شده و تولید جریان برق از کاتالیزور استفاده مى شود. بهترین کاتالیزور این واکنش «پلاتین» است. شکل ظاهرى همه پیل سوختى ها به هم شبیه است . دو الکترود مثبت(آند) و منفی(کاتد) اجزاى سازنده آن را تشکیل مى دهد که به دور یک الکترولیت(جامد یا مایع) پیچیده شده اند. یک مدار خارجى دو الکترود را به هم اتصال داده و الکترون هاى اطراف مدار را به جریان الکتریسیته تبدیل مى کند. درحقیقت واکنش شیمیایى میان عناصر اکسیژن و هیدروژن در پیل سوختى سبب تولید انرژى پاک مى شود. تنها محصول جانبى حاصل از این فرآیند، آب است. در پیل هاى سوختى مختلف از سوخت هاى مختلف استفاده مى شود و الکترولیت هاى متفاوتى در آنها به کار مى رود.
انواع پیل سوختی
پیلهای سوختی در انواع زیر موجود میباشند: پیلهای سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلی طبقه بندی می‌شوند.
• پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشاء مبادله کننده پروتون (PEFC)
• پیل سوختی قلیایی (AFC)
• پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)
• پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
• پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
لازم به ذکر است که پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC)۶ از خانواده پیل سوختی PEFC است. پیلهای سوختی بر اساس دمای عملکرد ، دارای دامنه دمایی از ۸۰ برای (PEFC) تا ۱۰۰۰ برای (SOFC) میباشند. پیلهای سوختی دمای پایین (PEFC ،PAFC ،AFC) دارای حاملهای یونیH+ ویا OH- هستند که انتقال یون از میان الکترولیت وانتقال الکترونها از طریق مدار خارجی را به عهده دارند ، و در پیلهای سوختی دمای بالا مانند الکترولیت کربنات مذاب (MCFC) و الکترولیت اکسید جامد (SOFC) ، جریان الکتریکی به ترتیب از طریق یونهایCO۳۲- و O۲- انتقال مییابد. در پیلهای سوختی اکسید جامد (SOFC) یا سرامیکی رسانش یون در الکترولیت معمولاً در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‌شود.
مزایا
مزایای پیلهای سوختی بطور کلی عبارت‌اند از:
• بازده بالا
• سازگاری با محیط زیست
• سادگی سیستم از نظر تعمیر و نگهداری
• تنوع در سوخت مصرفی
• عدم آلودگی صوتی به سبب نداشتن قسمت‌های متحرک
• طراحی و ساخت توانهای کوچک (میلی وات ) تا بزرگ (مگاوات)
• امکان استفاده از سوختهای فسیلی و پاک، مدولار بودن
• قابلیت تولید هم‌زمان حرارت و الکتریسیته و استفاده در کاربردهای تولید غیرمتمرکز انرژی
معایب
• به مواد بیشتر و فرآیندهای سریعتری نسبت به دیگر پیلها نیاز دارد.
• ممکن است در مدت طولانی کار ، گرما مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی را موجب شود.
• در صورت استفاده از سوخت ناخالص ، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در نهایت مسمومیت پیل می‌گردد.
زمینه‌های مختلف استفاده از پیلهای سوختی:
از پیل‌سوختی می‌توان در زمینه‌های مختلفی برای تولید انرژی استفاده کرد، که معمول‌ترین آنها عبارتند از:
۱- حمل و نقل (خودرو های سواری و وسایط نقلیه عمومی): امروزه همه تولید‌کنندگان عمده خودرو بر روی تولید تجاری خودروهای پیل سوختی سرمایه‌گذاری کرده‌اند. پیلهای سوختی می‌توانند به عنوان مولد انرژی در اتوبوس‌ها، قایق‌ها، هواپیماها و حتی دوچرخه‌ها نیز استفاده شوند
۲- نیروگاه‌ها (نیروگاه‌های متمرکز و غیرمتمرکز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی): پیلهای سوختی نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت تولید برق محلی مناسب‌اند. علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.
۳- وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و …): باتری‌ها برای بسیاری از وسایل قابل حمل مانند کامپیوترهای کیفی و تلفن‌های همراه نامناسب‌اند. باتری‌ها پرهزینه، سنگین و مزاحم هستند و اغلب در بدترین مواقع به شارژ نیاز دارند. پیشرفت‌های اخیر در فن‌آوری پیل سوختی ممکن است به حل این مشکل بینجامد. چند گروه پژوهشی در حال ابداع «ریز پیلهای سوختی» هستند که به تلفن‌های همراه امکان می‌دهد در حالت آماده برای هفته‌ها کار کنند.
۴- صنایع نظامی: پیلهای سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند در تانک‌ها، زره‌پوش و خودروهای نظامی استفاده می‌شوند. چون در این دسته از پیل های سوختی هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد پس کم صدا بوده و از آنجایی که در درجه حرارت پایین نیز کار می‌کنند ردیابی این خودرو ها نسبت به خودرو های با موتور درون سوز مشکل‌تر خواهد بود.