انرژي هيدروژن و پيل سوختي

مجموعه‌اي از عوامل مختلف از جمله محدوديت منابع فسيلي، تأثيرات منفي زيست محيطي، بهره‌گيري از منابع هيدروکربني، افزايش قيمت سوختهاي فسيلي، منازعات سياسي و تأثيرات آن بر روي ارائه انرژي پايدار از جمله دلايلي هستند که بسياري از سياستمداران و متخصصين مباحث انرژي و محيط زيست را در حرکت به سوي ايجاد ساختاري نوين مبتني بر امنيت ارائه انرژي، حفظ محيط زيست، ارتقاء کارايي سيستم انرژي وادار نموده است. بر اين اساس هيدروژن يکي از بهترين گزينه‌ها جهت ايفاي نقش حامل انرژي در اين سيستم جديد ارائه انرژي مي‌باشد.
هيدروژن بعنوان فراوان‌ترين عنصر موجود در سطح زمين به روش هاي مختلف قابل توليد مي‌باشد. در يک سيستم ايده آل انرژي بر پايه هيدروژن با هدف تأمين امنيت ارائه انرژي، حفظ محيط زيست و ارتقاء کارايي سيستم انرژي، هيدروژن از الکتريسيته توليدي از منابع تجديدپذير نظير باد، خورشيد، زمين گرمايي و نظاير آن توليد شده و پس از ذخيره سازي و انتقال به محل‌هاي مصرف، در کاربردهاي مختلف از جمله تجهيزات الکترونيکي کوچک (ميلي وات) ، صنعت حمل و نقل و صنايع نيروگاهي قابل بکارگيري است. با اين رويکرد بسياري بر اين باورند که سوخت نهايي بشر هيدروژن بوده و بشر درآينده‌اي نه چندان دور عصر هيدروژن را تجربه خواهد نمود.
از جمله ويژگيهايي که هيدروژن را از ساير گزينه‎هاي مطرح سوختي متمايز مي‎نمايد، مي‎توان به فراواني، مصرف تقريباً منحصر به فرد، انتشار بسيار ناچيز آلايندهها، برگشت‌پذير بودن چرخه توليد آن و کاهش اثرات گلخانه‎اي اشاره نمود. سيستم انرژي هيدروژني بدليل استقلال از منابع اوليه انرژي، سيستمي دايمي، پايدار، فناناپذير، فراگير و تجديدپذير مي‎باشد و پيش بيني مي‎شود که در آينده‎ا‎ي نه چندان دور توليد و مصرف آن بعنوان حامل انرژي به سراسر اقتصاد جهاني سرايت نموده و اقتصاد هيدروژني تثبيت شود؛ با اين وجود نبايد انتظار داشت که هيدروژن در بدو ورود از نظر قيمتي بتواند با ساير حاملهاي انرژي رقابت نمايد. در آينده هيدروژن و پيل هاي سوختي مي‎توانند نقش محوري و کنترل کنندگي در آلودگي شهرها داشته باشند.عمل تبديل انرژي شيميايي موجود در هيدروژن به انرژي الکتريکي توسط پيل سوختي انجام مي‌پذيرد که متناسب با کاربرد و خواص ساختاري آنها، پيل هاي سوختي خود به انواع مختلف تقسيم مي‌شوند. در واقع اهميت فناوري پيل سوختي در يک سيستم انرژي بر پايه هيدروژن (عصر هيدروژن)به گونه‌اي است که بسياري آنرا به لوکوموتيو قطار توسعه عصر هيدروژن تشبيه نموده‌اند. علاوه بر فناوري پيل سوختي به عنوان مصرف کننده هيدروژن در عصر هيدروژن، فناوريهاي توليد، ذخيره سازي، عرضه و انتقال هيدروژن نيز از اجزاء اصلي ساختار انرژي اين عصر خواهند بود.

پيل سوختي

سري پيل سوختي جهت توليد انرژي با راندمان بهينه ، نيازمند تجهيزات جانبي بنام سيستم پيل سوختي است که شرايط بهينه عملکرد براي پيل سوختي ، شامل خلوص سوخت ، مقدار هوا و سوخت ورودي به سري پيل سوختي ، رطوبت گازها و مديريت آب ، کنترل دما و نهايتا فشار گازها در سيستم و سري پيل سوختي را کنترل نمايند. يک سيستم پيل سوختي را مي‌توان به سه قسمت عمده شامل بخش سوخت رساني (مبدل سوخت و سيستم ذخيره هيدروژن) ، بخش توليد انرژي شامل سري پيل سوختي و سيستم کنترل رطوبت ، فشار ، دما و دبي گازها و نهايتا بخش تبديل انرژي که مربوط به فصل مشترک بين پيل سوختي و مصرف کننده برق جهت تبديل جريان و ولتاژ برق به ولتاژ و جريان مناسب مي‌باشد، تقسيم نمود.

متناسب با نوع پيل سوختي و کاربرد آن ، اين سيستمها ساده و يا پيچيده مي‌باشند، به عنوان نمونه در پيل هاي سوختي نيروگاهي ، بخش مبدل سوخت که سوختهاي فسيلي ، بيومس و يا ... را تبديل به هيدروژن خالص مي‌نمايد، بخش پيچيده و اصلي سيستم سوخت رساني را تشکيل مي‌دهد. در مصارف خودرويي سيستم سوخت رساني بنا به نوع زير ساخت سوخت موجود مي‌تواند دو شکل زير را به خود بگيرد:
توليد هيدروژن در خودرو با استفاده از مبدل سوخت
توليد هيدروژن در خارج از خودرو و ذخيره هيدروژن در خودرو
در صورتي که هيدروژن در جايگاه سوخت گيري توليد شود، سيستم ذخيره سوخت خودرو مي‌تواند روش هاي مختلفي از قبيل ذخيره هيدروژن در مخازن تحت فشار ، بکار گيري نانوتيوبها ، بکارگيري جاذبهاي هيدريد فلزي ، بکارگيري هيدريدهاي شيميايي و ... را شامل شود. در صورت توليد هيدروژن در خودرو ، مبدل سوخت (بالاخص مبدل بنزين و متانول) قابل نصب بر روي خودرو بخش اصلي و پيچيده سيستم سوخت در خودرو را شامل مي‌گردد.

بخش سوخت رساني

بخش سوخت رساني در مولدهاي نيرو گاهي پيل سوختي خود از قسمت هاي مختلفي از جمله راکتور مبدل سوخت، سيستم هوادهي، کمپرسور، مخازن تحت فشار و ... تشکيل شده است. راکتور مبدل سوخت که جزء اصلي در بخش سوخت رساني نيرو گاهي مي باشد، سوخت هاي هيدرو کربني موجود را به گاز غني از هيدروژن که خوراک پيل سوختي است تبديل مي کند. مبدل سوخت در سيستم پيل سوختي خودروها، سيستم را کمي پيچيده مي کند اما داراي اين مزيت است که از سوخت هايي استفاده مي کند که در زير ساخت ها و شبکه هاي توزيع فعلي وجود دارند. همانگونه که اشاره شد، هنگامي که سوخت هيدروژن خالص در خارج از خودرو توليد و در خودروها بار گيري شود، سيستم پيل سوختي بسيار ساده تر خواهد گرديد.

مبدل سوخت

دانسيته کم انرژي هيدروژن در حالت گاز، کاربرد هيدروژن را به عنوان حامل انرژي با مشکل روبرو مي سازد. بدين معني که نسبت به سوختهاي مايع همچون بنزين يا متانول از انرژي کمي به ازاي هر واحد حجم برخوردار است. بنابراين بارگيري هيدروژن گازي (تحت فشار متوسط و پايين) به مقداري که برد حرکتي قابل قبولي را براي خودروي پيل سوختي تأمين نمايد، کاري مشکل به نظر مي‌رسد. هيدروژن مايع از دانسيته انرژي خوبي برخوردار است (حدود 120.7 کيلو ژ ول به ازاء هر کيلوگرم) اما بايد در دماي بسيار پايين ( 253 درجه سانتيگراد زير صفر ) و فشارهاي بالا ذخيره شود که اين مسئله ، ذخيره سازي و حمل و نقل آن را مشکل مي‌سازد.
سوختهاي متداول همچون گاز طبيعي ، پروپان و بنزين و سوختهايي مانند متانول و اتانول ، همگي در ساختار مولکولي خود هيدروژن دارند. با بکارگيري مبدل نصب شده بر روي خودرو (onboard) يا مبدلهايي که در محلهاي سوخت گيري نصب مي‌شوند، مي‌توان هيدروژن موجود در اين سوختها را جدا کرده و به عنوان سوخت در پيل سوختي مورد استفاده قرار داد. بدين ترتيب مشکل ذخيره سازي هيدروژن و توزيع آن تقريبا بطور کامل رفع مي‌شود. کار مبدل سوخت فراهم آوردن هيدروژن مورد نياز پيل سوختي با استفاده از سوختهايي است که در دسترس بوده و حمل و نقل آن آسان مي‌باشد. مبدلهاي سوخت بايد توانايي انجام اين کار را با حداقل آلودگي و بالاترين راندمان داشته باشند. عملکرد مبدلهاي سوخت به زبان ساده عبارت است از اينکه يک سوخت سرشار از هيدروژن را به هيدروژن و محصولات فرعي ديگر تبديل نمايد.
يکي از مشکلات مهم در زمينه ساخت مبدلها اندازه و وزن مبدل مي‌باشد. براي ارتقاء سطح بازده ، لازم است وزن و حجم مبدلها به ازاي هر واحد انرژي الکتريکي حاصل از سيستم تا حد ممکن کاهش يابد. به همين ترتيب ، هزينه ساخت مبدلها نيز بايد پايين نگاه داشته شود تا گران بودن اين فناوري مانع از توليد انبوه خودرو نشود. دومين مشکل مهم در اين زمينه ميزان خلوص هيدروژن توليد شده از مبدلها است. آلاينده‌هايي همچون مونوکسيد کربن (و در بعضي از انواع سوخت ، سولفيدها) از محصولات فرعي فرآيند تبديل هستند. در اين ميان ، مقدار زياد مونوکسيد کربن مي‌تواند موجب سمي شدن کاتاليست پيل سوختي شود. از اين رو لازم است قبل از ورود سوخت به درون پيل سوختي ، مونوکسيد کربن آن حذف شود. اگر چه انواع مختلفي از مبدلهاي سوخت وجود دارند که اغلب از ترکيب فناوريهاي مختلف حاصل گرديده‌اند، اما
انواع اصلي مبدل هايي که در زمينه متداول هستند عبارتند از:
1. مبدلهاي با سيستم بخار (Steam Reformer)
2. مبدلهاي اکسيداسيون جزئي (Partial Oxidation Reformer)
3. مبدلهاي اتو ترمال (Auto thermal Reformer)
اصول اوليه عملکرد هر يک از اين فناوريها و فرآيندهاي شيميايي مربوط به آنها بطور مجزا به قرار ذيل مي‌باشد:

مبدل با سيستم بخار

فرآيند تبديل به کمک بخار يک فرآيند دو مرحله‌اي به صورت زير است: در واکنش اول از اکسيژن موجود در بخار آب داغ (معمولا بيش از 500 درجه سانتيگراد) براي جدا سازي کربن از هيدروژن و توليد مولکولهاي هيدروژن و اکسيدهاي کربن استفاده مي‌شود. همزمان با اين واکنش (بسته به دماي بخار) ، در واکنش دوم مونوکسيد کربن به دي اکسيد کربن تبديل شده و بدين ترتيب هيدروژن بيشتري آزاد مي‌شود. مرحله تصفيه گاز خروجي از مبدل سيستم بخار بسيار اهميت دارد، چرا که معمولا گاز خروجي از مبدلها خالص و عاري از مواد زائد نبوده و نمي‌توان آن را مستقيما به عنوان سوخت به درون پيل سوختي فرستاد.
اين ناخالصيها عبارتند از: مونوکسيد کربن و دي اکسيد کربن ناشي از واکنشهاي درون مبدل ، باقيمانده سوخت (مانند متانول يا بنزين) ، اکسيدهاي نيتروژن ، اکسيدهاي سولفور ، و ترکيبات آلي فرار که همه اين ناخالصيها در حقيقت از سوخت اوليه ناشي مي‌شوند. از اين رو ضروري است که جدا سازي اين ناخالصيها از گاز خروجي نهايي مبدل ، صورت پذيرد. بويژه در مورد جدا سازي مونوکسيد کربن که سطح استاندارد براي پيل هاي سوختي که در دماي پايين کار مي‌کنند، کمتر از 10 ppm در نظر گرفته شده است تا بدين ترتيب از سمي شدن کاتاليست موجود در پيل سوختي بخصوص پيل سوختي پليمري جلوگيري به عمل آيد.
يک پيل سوختي جهت توليد انرژي با بازدهي بهينه ، نياز به تغذيه مداوم سوخت و اکسيد کننده ، خروج آب توليدي از واکنش الکتروشيميايي درون پيل ، مرطوب نگهداري غشاء توسط مرطوب نگه داشتن گازهاي ورودي ، کنترل درجه حرارت و فشار دارد. تجهيزات و امکانات جانبي که اين شرايط بهينه را براي پيل سوختي فراهم مي‌آورند، سيستم پيل سوختي نام دارند. يک سيستم پيل سوختي را بطور کلي مي‌توان به اجزاي اصلي زير تقسيم کرد:
1. سيستم سوخت رسان که شامل مبدل سوخت و يا سيستم ذخيره هيدروژن مي‌باشد.
2. سيستم تأمين هوا يا اکسيد کننده که اکسيژن مورد نياز پيل سوختي را فراهم مي آورد.
3. سيستم مديريت آب و حرارت که شامل سيستم مرطوب کننده گازهاي ورودي ، سيستم خنک کننده ، سيستم و يا شيرهاي کنترل فشار و نماگرها است.
4. الکترونيک – قدرت (Power Electronic) که مربوط به فصل مشترک بين پيل سوختي و مصرف کننده برق جهت تبديل جريان و ولتاژ برق به ولتاژ و جريان مناسب مي باشد.
5. سيستم کنترل الکترونيکي که کنترل دما ، فشار ، برق خروجي از پيل ، شارژ باتريهاي ذخيره ، هماهنگي بين سيستم سوخت رسان و پيل سوختي و بخش Power Electronic را بر عهده دارد.
هر يک از اين سيستمها مي‌توانند بر عملکرد يکديگر و بر سري پيل سوختي تأثير متقابل داشته باشند. همچنين متناسب با نوع پيل سوختي و کاربرد آن ، اين سيستمها مي‌توانند متفاوت باشند که در اينجا بطور مشروح به بررسي هر يک از آنها خواهيم پرداخت.

پيل هاي سوختي براي وسايل قابل حمل الکترونيکي

باتريها براي بسياري از وسايل قابل حمل مانند کامپيوترهاي کيفي و تلفنهاي همراه وصله ناجورند. آنها پر هزينه ، سنگين و مزاحم هستند و اغلب در بدترين مواقع به شارژ نياز دارند. پيشرفتهالي اخير در فن آوري پيل سوختي ممکن است به حل اين مشکل بينجامد. چند گروه پژوهشي در حال ابداع "ريز پيل هاي سوختي" هستند که به تلفنهاي همراه امکان مي‌دهد در حالت آماده براي هفته‌ها کار کنند.
پيل هاي سوختي وسايل ساده‌اي هستند که اساسا از رساناهاي نافلزي به نام الکتروليت که ميان دو الکترود قرار مي‌گيرند تشکيل شده‌اند. هيدروژن از سوختي ، مانند متانول ، از درون الکتروليت جريان مي‌يابد و با يک عامل اکسنده ، مانند اکسيژن هوا ، مخلوط مي‌شود و از واکنش شيميايي جريان الکتريکي بين دو الکترود برقرار مي‌شود. پيلها را مي‌توان به سهولت و به سرعت با افزودن سوخت بيشتر دوباره پر کرد.
پيل هاي سوختي به لحاظ محيطي نيز تميزند، زيرا اصلي‌ترين فرآورده جنبي آنها ، آب حاصل از ترکيب هيدروژن و اکسيژن است، در حالي که باتريهايي که نهايتا از شارژ کردن مکرر فرسوده مي‌شود، مسئله دفع دارند. اکنون يکي از پژوهشگران آزمايشگاه ملي آلاموس يک ريز پيل سوختي اختراع کرده است و پيش بيني مي‌کند که توان پيل او در اندازه و قيمت يکسان ولي از نصف وزن باتريهاي نيکل - کادميوم مرسوم 50 برابر بيشتر باشد. اين پژوهشگر پيش بيني مي‌کند که تلفنهاي همراه به اين طريق با مصرف کمتر از 60 گرم متانول در حال آماده بطور پيوسته به مدت 40 روز کار کنند. اين اختراع بيشتر يک پيروزي مهندسي است تا يک اعجاب علمي. در ساخت اين پيل وي از روش هاي جديد براي ساخت مدار الکتروني بهره جسته و آنها را در فن اوري پيل هاي سوختي بکار گرفته است.
عامل کليدي در بسته بندي است. در حالي که غالب پژوهشگران با طراحي الکتروليت و الکترودها آغاز کردند، اين پژوهشگر دريافت که بهترين راه رسيدن به کوچک سازي و توليد انبوه ، استفاده از يک فيلم نازک پلاستيکي به عنوان ظرف پايه براي پيل هاي سوختي ميکروسکوپي است. غشاي پلاستيکي به ضخامت تنها 25 ميکرون با ذرات هسته‌اي بمباران مي‌شود، به اين ترتيب حکاکي شيميايي سبب ايجاد منافذ ريزي مي‌شود که محل ريختن الکتروليت مايع است. صفحات فلزي الکترود ، کاتاليزگر و يک شبکه رسانش که پيل هاي مجزا به هم متصل مي‌کند با استفاده از روش هاي عملي تراشه سازي مانند رسوب گذاري در خلا روي ساختار پلاستيکي ، لايه گذاري و حکاکي مي‌شوند. طبق نظر پژوهشگران "پيل هاي سوختي اساسا مثل مدارهاي چاپي ساخته مي‌شوند".

کاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي

بازار مولدهاي نيروگاهي پيل‌سوختي بسيار گسترده است و کاربردهاي دولتي، نظامي و صنعتي را شامل مي‌شود. همچنين به عنوان نيروي پشتيبان در مواقع اضطراري در مخابرات، صنايع پزشکي، ادارات، بيمارستان‌ها، هتل‌هاي بزرگ و سيستم‌هاي کامپيوتري به کار مي‌رود.
پيل هاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسبند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.
اين نيروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهي الکتريکي بالايي دارند و همچنين در ترکيب با نيروگاه‌هاي گاز طبيعي بازدهي الکتريکي آنها به 70-80% مي‌رسد.
مزيت ديگر اين نيروگاه‌ها عدم آلودگي محيط زيست است. خروجي نيروگاه‌هاي پيل‌سوختي بخار‌آب مي باشد.
نيروگاه‌هاي پيل سوختي قابليت استفاده از سوخت‌هاي مختلف مانند متانول، اتانول، هيدروژن، گاز طبيعي، پروپان و بنزين را دارند و مانند ساير نيروگاه‌ها محدود به استفاده از يک منبع انرژي خاص نيست.
از زمانيکه اولين پيل‌سوختي نيروگاهي در دهه 60 توليد گشت، تا کنون در مجموع 650 سيستم کامل با توان بيش از 10 کيلووات (ميانگين آن 200 کيلووات است) ساخته شد. تقريباً 90 درصد از اين واحدها با گاز طبيعي تغذيه مي شود. البته استفاده از سوخت‌هاي جايگزين نظير بيوگاز و گاز ذغال نيز پيشرفت قابل ملاحظه‌اي داشته است.
در اين بخش نيروگاه انواع متنوع پيل‌سوختي به کار رفته است. در ابتدا از پيل‌سوختي اسيد فسفريک آغاز گرديد و سپس پيل‌سوختي پليمري و پيل‌سوختي کربنات مذاب جايگزين آن گشتند. در حاليکه پيل‌سوختي اکسيد جامد در آينده بازار را به قبضه در خواهد آورد.
در بخش پيل هاي سوختي نيروگاهي کوچک (زير 10 کيلووات) نيز رشد قابل ملاحظه‌اي را شاهد بوديم. تعداد اين واحدها اکنون به 1900 رسيده است. اين سيستم جهت مصارف خانگي و بازارهايي از قبيل UPS ونيروي پشتيبان در اماکن دوردست کاربري دارد. نيمي از محصولات در آمريکاي شمالي توسعه يافته است.
در بخش سيستم‌هاي نيروگاهي کوچک 20 درصد سهم بازار را پيل‌سوختي اکسيدجامد و مابقي را پيل‌سوختي پليمري تشکيل مي‌‌دهد. بازار پيل‌سوختي کوچک در ژاپن که به مصارف خانگي اختصاص دارد، منحصراً با پيل‌سوختي پليمري است و اميد است تا انتهاي سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.
فروش تعدادي از واحدهاي نيروگاهي کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سيستم GenCore شرکت PlugPower مي باشد(توان 5 کيلووات، 15000 دلار)
دولت ژاپن حمايت خود از توسعه پيل هاي سوختي نيروگاهي در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت هاي ژاپني گاز توکيو و Osaca از بزرگترين شرکت هاي توسعه دهنده اين فن‌آوري مي‌باشند.

اساس کار پيل هاي سوخت

پيل هاي سوختي از يک واکنش الکتروشيميايي ساده که درآن از ترکيب اکسيژن و هيدروژن آب تشکيل ميشود توليد انرژي الکتريکي مي‌کنند انواع مختلف و متعدد پيل سوختي وجود دارد اما همه آنها بر اساس يک طراحي اصلي تشکيل شده از دو الکترود يک آند منفي و يک کاتد مثبت بنا نهاده شده‌اند. اين دو الکترود بوسيله يک الکتروليت جامد و يا مايع که ذرات باردار الکتريکي را جابجا مي‌کند از هم جدا شده‌اند. معمولاً از يک کاتاليزور مانند پلاتين جهت افزايش سرعت واکنش الکترونها استفاده مي‌شود. پيل هاي سوختي بر اساس طبيعت الکتروليت مورد استفاده در آنها تقسيم بندي مي‌شوند .هر يک از آنها مواد و سوخت خاص مناسب با کاربردهاي مختلف نياز دارند.

پيل هاي سوختي با غشاء تبادل پروتون:
(Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC

اين تکنولوژي در دهه 1950 بوسيله شرکت جنرال الکتريک ابداع شد و بوسيله سازمان ناسا جهت توليد انرژي براي پروژه فضائي Gemini استفاده شد. در حال حاضر اين نوع پيل سوختي است که اکثراً در شرکتهاي اتومبيل سازي بعنوان جايگزين در موتورهاي درونسوز بکار برده مي‌شود.پيل هاي سوختي با غشاء تبادل پروتون بنام غشاء الکتروليت پليمري، الکتروليت پليمري جامد، پيل هاي سوختي الکتروليت پليمري نيز شناخته شده‌اند.
در پيل سوختي PEM الکتروليت از يک غشاء نازک پليمري (مانند پلي پرفلور و سولفوريک اسيد) نافيون (Nafim TM ) که نفوذپذير در پروتونهاست، اما هادي الکتريسيته نمي‌باشد و الکترودها از کاربن درست شده‌اند .هيدروژن در درون پيل سوختي به روي آند جاري شده و به پروتونها و الکترونها تقسيم مي‌شود. يونهاي هيدروژن از طريق الکتروليت به کاتود نفوذ مي‌کنند، درحاليکه الکترونها از طريق يک مدار خارجي جريان کرده و توليد انرژي مي‌نمايند. اکسيژن به صورت هوا به کاتد ارسال شده و با الکترونها و يونهاي هيدروژن ترکيب گرديده و توليد آب مي‌کند.اين واکنشهاي روي الکترودها مطابق زير مي‌باشند.
2 H2O ===> 4H + 4e: آند
O2+4H ===> 2H2O :کاتد
انرژي 2H2 +O2 ===> 2H2O +: نتيجه
پيل هاي PEM در دماي حدود 80 سانتيگراد کار مي‌کنند. در اين دماي پايين واکنشهاي الکتروشيميائي معمولاً خيلي کند صورت مي‌گيرد بنابراين از يک لايه نازک پلاتين روي هر يک از الکترودها بعنوان کاتاليزور استفاده مي‌شود.
اين دستگاه الکتروليت/ الکترود بنام مجموعه الکترود غشاء (MEA ) خوانده شده و بين دو صفحه ي جريان، ميدان ساندويج گرديده تا يک پيل سوختي را بوجود آورد. اين دو صفحه شامل شيارهايي جهت کانال هدايت سوخت به الکترودها و همچنين هدايت الکترونها به خارج از مجموعه MEA مي‌باشد. هر پيل حدود 7/0ولت برق توليد مي کند.براي توليد ولتاژ هاي بالاتر تعدادي از اين پيلها بطور سري بهم وصل گرديده و تشکيل ساختاري بنام مجموعه‌ پيل سوختي مي دهند.پيل هاي سوختي PEM داراي يک سري مزايا هستندکه باعث شده از آنها در اتومبيل و کاربردهاي کوچک خانگي مانند جايگزين باطريهاي قابل شارژ استفاده شود. پيلها در دماي نسبتاً پايين کار مي کنند و لذا باعث استارت سريع از حالت سرد بوده و به دليل داشتن دانسيته بالاي انرژي داراي قابليت ساخت با حجم کم و فشرده مي باشند .بعلاوه پيل هاي PEM با راندمان بالا حدود (40-50) درصد حداکثر ولتاژ تعريف شده در تئوري کار مي‌کنند و ميتوانند خروجي خود را بسرعت تغيير داده تا با تغيير در انرژي مورد نياز سازگاري داشته باشند.
در حال حاضر دستگاههايي با نمايش قدرت توليد 50 کيلو وات مورد بهره‌برداري و عمليات قراردارد و دستگاههايي با قدرت تا 250 کيلو وات درحال توسعه است. بهرحال هنوز يک سري محدوديتها وجود دارد که بايد قبل از اينکه اين تکنولوژي گسترده تر شود بر انها غلبه کرد. مشکل اصلي قيمت بالا، مثل گراني جنس غشاء وکاتاليزورمي باشد. اما نتيجه پژوهشها و طرحهاي توسعه‌اي دردست اقدام بتدريج از قيمتکاسته و همچنين به هنگام توليد اندوده درمقياس بالا جهشي بزرگ در کاهش قيمت و اقتصادي شدن آن خواهد نمود. مانع ديگر بر سر راه پيل هاي PEM نياز آنها به هيدروژن خاص جهت کارکردن ميباشد. زيرا آنها خيلي حساس به مسموميت با منواکسيد‌کربن وناخالص هاي ديگر هستند و اين عمدتا بدليل دماي پايين عملياتي پيل ضرورت استفاده ازکاتاليزورحساس در پيل را موجب ميشود.بهر‌حال کارهايي در دست اقدام است تا يک سيستم کاتاليزور توام با غشاء با قدرت مانور بهتر توليد گردد که قادر به کارکرد با دماي عملياتي بالاتر باشد.

پيل هاي سوختي بازي :(Alkaline Fuel Cell(AFC

پيل هاي سوختي بازي يکي از توسعه يافته ترين تکنولوژيها هستند و براي تهيه انرژي وآب آشاميدني در ماموريت ها ي فضائي از جمله سفينه فضائي شاتل ايلات متحده آمريکا بکار برده شده اند. واکنش الکترو‌شيميائي در آن قدري متفاوت است، بدين صورت که يونهاي هيدرواکسيل (OH ) از کاتدبه طرف آند حرکت ميکنند؛ تا در اثر واکنش با هيدروژن تشکيل آب و الکترون بدهند.اين الکترونها جهت اعمال انرژي به مدار خارجي بکار ميروند، سپس دوباره به کاتد برگشته و در واکنش با اکسيژن و آب توليد مقادير بيشتري از يونهاي هيدرواکسيل (OH) مي نمايند.
2H2 + 4OH ===> 4H2O + 4e: آند
O2 + 2H2O + 4e ===> 4OH :کاتد
پيل هاي بازي در همان دماي عملياتي مشابه پيل هاي PEM ( حدود 80 سانتيگراد )کار مي‌کنندو لذا سريع استارت هستند. اما دانسيته انرژي آنها حدود ده برابر کمتر PEM ميباشد و بنابراين براي استفاده درموتور اتومبيل بسيار پرحجم اند.آنها بهر حال ارزان ترين نوع پيل سوختي هستند و بدين جهت ميتوانند براي دستگاههاي توليد برق کوچک و ثابت بکار برده شوند. پيل هاي بازي مشابه پيل هاي PEM شديداً به منواکسيدکربن و ناخالصيهاي ديگرکه موجب مسموميت کاتاليزور ميشوند حساس هستند.بعلاوه منابع تغذيه آنها بايد عاري از دي اکسيد کربن باشند، زيرا واکنش دي اکسيدکربن با الکتروليت هيدروکسيد پتاسيم تشکيل کربنات پتاسيم ميدهدکه باعث محدوديت در راندمان پيل مي‌گردد.

پيل سوختي اسيد فسفريک
Phosphoric Acid Fuel) Cell(PAFC

پيل سوختي اسيد فسفريک در حال حاضر پيشرفته‌ترين پيل سوختي تجاري است همانگونه که از نام آن استنباط مي‌گردد در اين پيلها از اسيد فسفريک مايع بعنوان الکتروليت استفاده مي‌شود معمولاً در يک قالب سيليکون کاربايد جا داده ميشود. پيل هاي سوختي اسيد فسفريک در دماي کمي بالاتر از پيل هاي PEM و بازي کار مي‌کنند.(حدود 150 الي 200 درجه سلسيوس). با وجود اين جهت ارتقاء واکنش ، نياز به کاتاليزور پلاتين روي الکترودها دارند. واکنش آند وکاتد مشابه PEMميباشد.ولي به علت دماي عملياتي بالاتر، سرعت واکنش آن بيشتر است . اين افزايش دما موجب انعطاف پذيري بيشتر در مقابل ناخالصي ها مي گردد. پيل هاي اسيد فسفريک با يکي دو درصد منواکسيدکربن و مقدار کمي (چند جزء در مليون ppm) گوگرد موجود در جريان واکنش هنوز عملکرد درستي دارند. راندمان پيل هاي اسيد فسفريک کمتر از سيستمهاي ديگر است. حدود چهل درصد و همچنين زمان بيشتري جهت گرم شدن نسبت به پيل هاي PEM صرف مي کنند عليرغم آن موانع و کاستيها يک سري مزايا در اين تکنولوژي از قبيل سادگي ساخت، ثبات و تبخير پذيري کمتر الکتروليت وجود دارد. پيل هاي اسيد فسفريک براي تامين انرژي الکتريکي در اتوبوسها بکار برده شده‌اند و تعدادي از آنها در سرويس عملياتي ميباشند، اما اينکه زماني در اتومبيلهاي شخصي بکار روند غير متحمل است. پژوهش قابل ملاحظه‌اي در طول 20 سال نتيجه داده است که پيل هاي اسيد فسفريک کاربرد موفقيت آميزي در دستگاههاي غير سيار داشته‌اند. در حال حاضر تعداد زيادي از اين دستگاهها با قدرت خروجي بين 2/0 تا 20 مگا وات در سراسر دنيا جهت تهيه انرژي برق در بيمارستانها، مدارس و نيروگاههاي کوچک نصب شده‌اند و در سرويس عملياتي قراردارند.

پيل هاي سوختي کربنات ذوب شده :(Molten Carbonate Fuel Cells(MCFC

نحوه کار پيل هاي سوختي کربنات ذوب شده نسبت به پيل هاي ديگر تا کنون بحث شده کاملاً متفاوت است. در اين پيلها از نمک کربنات ليتيوم پتاسيم ذوب شده و يا ليتيوم سديم ذوب شده بعنوان الکتروليت استفاده ميگردد. وقتي که نمک تا دماي 650 درجه سانتيگراد گرم شود، نمک ذوب شده و يونهاي کربنات توليد مي‌کند که از کاتد به آند جريان کرده و در آنجا با هيدروژن ترکيب شده و توليد آب و دي اکسيدکربن و الکترون مي‌نمايد. الکترونها از طريق يک مدار خارجي دوباره به کاتد برگشته و در سر راه خود توليد انرژي مي کنند.
CO3 + H2 ===> H2O +CO2 + 2e: آند
CO2 +1/2 O2 + 2e ===> CO3 :کاتد
دماي بالائي که اين پيلها در آن کار مي کنند به اين معناست که آنها قادرند بطور داخلي تشکيل هيدروکر مانند گاز طبيعي و نفت جهت توليد هيدروژن در درون ساختار پيل بدهند. در چنين دماي بالائي هيچگونه مشکل مسموميت منواکسيد وجود ندارد، گرچه مشکل گوگرد سر جاي خود باقي است و بجاي کاتاليزور پلاتين گران قيمت ميتوان از نوع نيکل ارزانتر استفاده نمود. حرارت اضافي ايجاد شده ميتواند در سيکل ترکيبي نيروگاها بکار رود. راندمان اين نوع پيلها تا حدود 60 درصد است و در صورتي از گرماي تلف شده استفاده گردد ميتواند تا 80 درصد افزايش يابد. دماي بالاي کارکرد، بهر حال پاره‌ اي مشکلات را بوجود مي آورد. زمان قابل ملاحظه‌اي طول مي‌کشد تا پيل به دماي عملياتي برسد و اين باعث ميشود که پيل براي کاربردهاي حمل و نقل نامناسب باشد و دماي بالا و طبيعت خورنده الکتروليت احتمالاً به اين معناست که پيل براي توليد برق خانگي غير ايمن است .راندمان بالاي توليد انرژي پيل باعث جذابيت آن در استفاده در فرآيندهاي صنعتي در مقياس بالا و در توربين هاي توليد برق باشد. در حال حاظر پيل سوختي کربنات ذوب شده با ظرفيتهاي تا 2 مگا وات به نمايش گذارده شده ولي ظرفيتهاي 50 الي 100 مگا وات در دست طراحي است.

پيل هاي سوختي اکسيد جامد
(Solid oxide Fuel cells (SOFC

پيل هاي سوختي اکسيد جامد در دماي حتي بالاتر از پيل هاي کربنات ذوب شده کار مي کنند. آنها از الکتروليت سراميک بخار مانند اکسيد زير کونيوم تثبيت شده در اکسيد yttrium بجاي الکتروليت مايع استفاده مينمايند و در دماي بين 800 الي 1000 سانتگراد کار مي کنند. در اين پيلها انرژي از مهاجرت آنيونهاي اکسيژن از طرف کاتد به آند جهت اکسيداسيون گاز سوخت، که بطور نمونه مخلوطي از هيدروژن و منواکسيد‌کربن ميباشد توليد مي‌گردد. الکترونهاي ايجاد شده در آند بوسيله يک مدار خارجي دوباره به کاتد در جائي که اکسيژن ورودي را کاهش مي دهد برگشته و بنابراين سيکل واکنش را تکيمل مي کند.
H2 + O ===> H2O + 2e: آند
O2 +4e ===> 2O :کاتد
CO + O ===> CO2 +2e
همانند پيل هاي سوختي ذوب شده در اين پيلها نيز دماي عملياتي بالا به معناي مقاومت در برابر مسموميت منواکسيدکربن ميباشد زيرا همانگونه که در بالا مشاهده ميشود منواکسيدکربن سريعاً به دي اکسيد کربن تبديل ميگردد. اين خود باعث عدم نياز به استفاده از رفرمينگ خارجي جهت استخراج هيدروژن از ماده سوختي ميباشد و اين نوع پيلها ميتوانند دوباره از نفت و يا گاز طبيعي استفاده کنند.پيل هاي سوختي اکسيد جامد همچنين بالاترين انعطاف را در برابر آلودگي با گوگرد نسبت به ساير تکنولوژيهاي بحث شده و تا کنون از خود نشان ميدهند. اين پيلها بعلت استفاده از الکتروليت جامد نسبت به پيل هاي سوختي کربنات ذوب شده پايدارترند اما مواد ساختماني آنها به جهت نياز به مقاومت در برابر دماي عملياتي بالا گرانتر است.اين پيلها ميتوانند به راندمان حدود 60 درصد برسند و انتظار ميرود که براي توليد برق و حرارت در صنعت و براي تهيه نيروي کمکي در اتومبيل بکار برده شوند.

پيل هاي سوختي متانول مستقيم
(Direct Methanol Fuel Cells(DMFC

پيل هاي سوختي متانول مستقيم تبديلي از پيل سوختي با غشاء پروتون است که به طور مستقيم و بدون استفاده از رفرمينگ قبلي از متانول استفاده مي‌کند. متانول به اکسيدکربن و هيدروژن در آند تبديل ميشود. پس از آن مشابه پيل سوختي PEM استاندارد هيدورژن جهت واکنش با اکسيژن بکار ميرود.
CO2 + 6H + 6e CH3OH+H2O ===>: واکنش آند
3/2 O2 + 6H +6e ===>3 H2O: واکنش کاتد
CH3OH +3/2 O2 ===> CO2 + 2H2O : واکنش پيل
انتظار ميرود که اين پيلها در دماي حدود 120 درجه سانتيگراد قدري بالاتر از دماي عملياتي پيل استاندارد PEM کار کنند و راندمان حدود چهل درصد داشته باشند. يکي از عيوب پيل متانول مستقيم دماي عملياتي پايين و در نتيجه تبديل متانول به هيدورژن و دي اکسيد کربن است که نياز به استفاده از مقادير بيشتر کاتاليزور پلاتين نسبت به پيل استاندارد PEM دارد. بهر‌حال اين افزايش هزينه نسبت به استفاده راحت از پيل سوختي مايع و عدم استفاده از کاتاليزور مي چربد. تکنولوژي در پيش روي پيل سوختي متانول مستقيم هنوز در مراحل اوليه توسعه خود ميباشد؛ ولي بهرحال کاربرد آن دز گوشيهاي تلفن همراه و رايانه‌هاي کيفي (LABTOP ) با موفقيت نشان داده شده و توانائي و کارآئي و هدف نهائي استفاده از آن در سالهاي آتي بروز داده خواهد شد.

پيل هاي سوختي اصلاح شده : Regenerative Fuel Cells

اين پيل سوختي اصلاح شده نسبتاً تازه است؛ اما توسط گروههايي در نقاط مختلف دنيا در دست مطالعه و پژوهش ميباشد. تکنولوژي آن بر پايه همان پيل هاي سوختي متفاوت است که در آن هيدروژن و اکسيژن جهت توليد انرژي، برق، گرما و آب بکار برده ميشود.تفاوت در اين است که پيل سوختي اصلاح شده واکنش معکوس را نيز انجام مي‌دهد؛ يعني الکتروليز مي‌کند. آب توليد شده در پيل سوختي به الکتروليز کننده‌اي که با باطري خورشيدي کار مي‌کند تقريباً و در آنجا به اجزاء تشکيل دهنده آن يعني هيدروژن و اکسيژن تفکيک و سپس مجدّداً به پيل سوختي تغذيه مي‌گردد. به اين طريق يک سيستم بسته تشکيل شده که نياز به توليد هيدروژن خارجي ندارد، توسعه يک سيستم تجاري آن بعيد به نظر ميرسد و مواردي مانند هزينه تمام شده آن که بيش از متعارف است و همچنين راههاي مطمئن آماده سازي و استفاده از نيروي برق خورشيدي بايد مورد بررسي دقيقتر قرار گيرد

اهداف كميته راهبري پيل سوختي

اهميت فن‌آوري پيل سوختي، حجم بالاي برنامه‌ريزي‌ها، سرمايه گذاري‌هاي بين المللي و تجربيات حاصل در داخل کشور از جمله در وزارت نيرو همگي مؤيد اين نکته هستند که توسعه فن‌آوري پيل‌سوختي در داخل کشور، نيازمند عزمي ملي با حضور تمام ذينفعان تاثيرگذار بر توسعه اين فن‌آوري مي‌باشد؛
کميته راهبري پيل‌سوختي در دي‌ماه 1380 با ابتکار و پيگيري وزارت نيرو و دفتر همکاري‌هاي فن‌آوري رياست‌جمهوري و با هدف جهت‌دار شدن مسير حرکت کشور در اين زمينه و تعيين اولويت‌هاي تحقيقاتي، پژوهشي و اجرايي و هم‌چنين جلوگيري از فعاليت‌هاي موازي تشکيل شد. وزارت نيرو در تشکيل اين کميته، ترکيبي از نهادها و ارگان‌هاي مرتبط نظير دفتر همکاري‌هاي فن‌آوري، وزارت نفت، صنايع و معادن، علوم، تحقيقات و فن‌آوري، سازمان‌هاي مديريت و برنامه‌ريزي، حفاظت محيط‌زيست، نمايندگان بخش‌هاي خصوصي مرتبط و مشاوران و خبرگاني از اين زمينه را با خود همراه ساخت تا وفاق و همدلي ذي‌نفعان پيل‌سوختي را ايجاد و حرکت در اين زمينه را تسريع و هدفمند سازد.
آنچه در خلال نخستين جلسات اين کميته مورد اتفاق نظر عموم قرار گرفت، ضرورت انجام مطالعات علمي در خصوص ميزان ضرورت فناوري پيل سوختي براي کشور و نحوه مواجه جمهوري اسلامي ايران با آن بود. از اين‌رو پروژه" مطالعات امکان سنجي – تحليل جذابيت پيل‌سوختي و تدوين استراتژي آن در توسعه کشور " از سوي کميته راهبري تعريف شده و اجراي آن برعهده "مرکز گسترش فن‌آوري اطلاعات" (مگفا) قرار گرفت. ضمناً به منظور بررسي و ارزيابي نتايج" مطالعات امكان سنجي – تحليل جذابيت پيل سوختي و تدوين استراتژي توسعه آن در كشور" جلسه‌اي در تاريخ 9/11/83 توسط دبيرخانه كميته راهبري پيل سوختي در محل معاونت امور انرژي با حضور صاحبنظران و علاقمندان پيل سوختي برگزار گرديد.
با توجه به نتايج مطالعات اعضاء کميته راهبري پيل سوختي و با طي چندين جلسه بحث و بررسي سرانجام پيش نويس سند راهبرد توسعه فناوري پيل سوختي در کشور توسط کميته راهبري پيل سوختي در کشور توسط کميته راهبري پيل سوختي تهيه و به هيات محترم دولت ارسال گرديد و با اتفاق نظر اعضاء، سند راهبرد ملي توسعه فناوري پيل سوختي در کشور تهيه گرديد كه در مورخ3/4/86 به تصويب هيئت محترم دولت رسيد. اين سند در راستاي تحقق چشم‌انداز 20 ساله كشور و با تلاش نظام‌مند ذي‌نفعان اين فن‌آوري در يك بازه 15ساله، تدوين گرديد. " برنامه‌ريزي عملياتي" به‌منظور اجراي سند و نيل به چشم‌اندازهاي ترسيم شده نيز در وزارت نيرو تدوين شده است.
در صورت تحقق چشم‌انداز مندرج در اين سند، منافع و دستاوردهاي متنوعي براي كشور به بار خواهد آمد که به برخي از آنها اشاره مي‌شود:
• كمك به توسعه پايدار بخش انرژي از طريق كاهش مخاطرات اجتماعي و زيست‌‌محيطي ناشي از رشد روزافزون مصرف انرژي‌هاي فسيلي در كشور
• افزايش پايداري، امنيت، پيك‌سايي و تنوع‌بخشي شبكه انرژي كشور از طريق كاربرد گسترده فن‌آوري پيل‌سوختي در توليد غيرمتمركز انرژي الكتريكي
• امكان بهره‌گيري مستمر و مؤثرتر از منابع تجديدپذير انرژي با استفاده از مولدهاي ‌پيل‌سوختي، صيانت از منابع انرژي فسيلي كشور و بهره‌برداري از اين منابع با راندمان بالاتر
• كمك به ايجاد و توسعه بازارهاي جديد داخلي و خارجي منابع گاز طبيعي كشور
حركت به‌سوي اقتصاد دانايي ‌محور با حضور در زنجيره تأمين و بازار جهاني فن‌آوري‌ پيل‌هاي ‌سوختي راهبردي فن‌آوري‌هاي كليدي آن با تأكيد بر مزيت‌هاي رقابتي و شايستگي‌هاي محوري بنگاه‌هاي اقتصادي كشور پس از تصويب "سند راهبرد ملي توسعه فناوري پيل سوختي در کشور" در تيرماه سال 86 و ابلاغ اين مصوبه توسط معاون اول محترم رياست جمهور، جلسه اي با حضور فعالان کميته راهبري تشکيل گرديد که بر لزوم شروع فعاليت هاي مرتبط و جديت در پيگيري انجام ترتيبات اجرايي سند و اقدامات آن تاکيد گرديد. همچنين وزارت نيرو مسئول تشکيل دبيرخانه ستاد توسعه فناوري پيل سوختي مي باشد كه جلسات کميته راهبري پيل سوختي را با دعوت از کليه وزارت خانه ها و ارگان هاي عضو تشکيل مي دهد.
منابع :
http://www.atcce.com
http://www.fcc.gov.ir
http://fa.wikipedia.org
http://www.assaluyeh.com
http://www.suna.org.ir
http://daneshnameh.roshd.ir
www.knowclub.com
/خ