پيل سوختي چيست؟
پيل سوختي يك سيستم الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي سوخت - عموما" هيدروژن (و يا متانول) و هوا را به طور مستقيم به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند. اين مولد انرژي داراي بازده بالايي است. بازده بالاي اين سيستم منتج از دوري جستن از چرخه كارنو است. در پيل سوختي هيدروژن در قسمت آند اكسيد شده و به پروتون و الكترون تقسيم مي‌شود. الكترون توليدي جريان الكتريسيته را موجب مي‌گردد. پروتون با عبور از غشاء تبادل يون به سمت كاتد رفته و در حضور كاتاليزور با اكسيژن هوا و الكترون بازگشتي از پيل به آب تبديل مي‌شود و بدينترتيب هيچ آلودگي به وجود نمي‌آيد. اين واكنش در دماي 80 درجه سانتیگراد (در پيل سوختي دماي پايين PEMFC) انجام مي‌پذيرد. واكنش‌هاي صورت گرفته در آند، كاتد و ماحصل نهايي بصورت زير است:
H2 2H+ + 2e -
O2 + 4H+ + 4e -2H2O
2H2 + O2 2H2O
مزاياي پيل سوختي
- عدم آلودگي هوا
- آلودگي صوتي ناچيز
- بازده سوخت بالا، براي مثال بازده پيل سوختي (از چاه نفت تا چرخ خودرو) برابر 45-30% و در مقايسه با بازده كمتراز 17% براي موتورهاي احتراق داخلي بيانگر افزايشي بيش از 100% بازده در اين نوع سيستم‌ها است. (تصوير1)
- طول عمر بالا (بدليل نبود قطعات و قسمت هاي متحرك در سيستم )
- قابل رقابت از جنبه قيمت و هزينه ها در توليد انبوه
- امكان حصول و بومي كردن تكنولوژي در ايران
- امكان استفاده از منابع تجديدپذير (آّب، باد، خورشيد و زمين گرمايي) جهت توليد هيدروژن و يا متانول مورد نياز پيل سوختي

تصوير 1: مقايسه توليد انرژي از طريق چرخه كارنو با پيل سوختي
انواع پيل سوختي
درسال 1889 لودويك مند (L.Mond) و چارلز لنجر (C.Langer) توانستند يك نوع پيل سوختي كه هوا و سوخت ذغال سنگ را مصرف مي‌كرد بسازند. در سال 1932 مهندس فرانسيس بيكن (F.Bacon) براي ساخت پيل سوختي فعاليت خويش را آغاز كرد و در اواسط دهه پنجاه موفق به ساخت پيل سوختي آلكالين 50KW شد.
انواع پيل سوختي، نوع الكتروليت، دما و طرز عملكرد آن در شكل 2 به تصوير كشيده شده و در جدول 1 آورده شده است. در ميان انواع پيل سوختي، پيل سوختي پليمري (PEM) به دليل دارا بودن چگالي قدرت بسيارخوب، قابليت شروع به كار سريع و عملكرد در دمای 100- 80 درجه سانتیگراد براي استفاده در صنايع خودرو سازي، نيروگاهي، مولد انرژي قابل حمل و كاربردهاي نظامي رايج ترين نوع است .

تصوير2: انواع پيل هاي سوختي

جدول 1: انواع پیل های سوختی

انواع سوخت مورد استفاده در پيل سوختي
هيدروژن به صورت طبيعي و خالص در طبيعت وجود ندارد به ناچار مجبور به استفاده از سوخت‌هايي هستيم كه در دسترس و ارزان هستند. در اينجا به بررسي سوختهاي اوليه مي‌پردازيم كه مي‌توانند به عنوان منبع تهيه هيدروژن مورد استفاده قرار گيرند.
در مولدهاي ثابت و نيروگاههاي پيل سوختي بهتر است كه تبديل سوخت در كنار پيل سوختي انجام شود در اين حالت مي‌توان از گرماي توليدي حاصل از واكنش الكتروشيميايي پيل سوختي در دستگاه مبدل سوخت استفاده كنيم و در اين حالت مشكلات ذخيره سازي و انتقال و به كار گيري هيدروژن به صورت خالص را نخواهيم داشت.
سوختهاي فسيلي:
1- نفت خام
نفت خام مخلوطي از گازها و مايعات و جامدات بر پايه هيدروكربنها است كه به صورت خام در اكثر نقاط كره زمين قابل دسترسي است.
نفت خام به تنهايي داراي ارزش نسبتأ كمي است ولي با تبديل آن به محصولاتي نظير مايعات و محصولات پتروشيمي و سوختهاي ديگر، محصولات با ارزشي توليد خواهد شد. هر برش از نفت خام محتوي اجزاي مختلف شيميايي است كه پارافين ها يا آلكن ها، مونوسيكليك ها و پلي سيكليكهاي پارافيني(نفتا) و هيدروكربن هاي آروماتيك تك هسته اي و چند هسته اي را مي توانيم نام ببريم.
2- زغال سنگ و گاز ذغال سنگ
ذغال سنگ فراوانترين سوخت فسيلي است ولي از نظر ساختار شيميايي بسيار پيچيده است اين سوخت نيز از فشرده شدن باقيمانده گياهان و گذشت زمان بوجود آمده است. از سوزاندن ذغال سنگ مايع و گاز كك حاصل مي شود كه اين مواد بستگي زيادي به ماده اوليه ذغال سنگ، دما و فشار واكنش و مقادير نسبي از بخار و اكسيژن تزريق شده به داخل رآكتور دارند.
در كارخانجات بزرگ پروسس، ذغال سنگ به همراه بخار و اكسيژن (يا هوا) در دماي بالاتر قرار گرفته و محصول در اين حالت گاز خواهد بود كه به همراه گاز مقاديري از محصول مايع و جامد حاصل از واكنش نيز توليد خواهد شد. روش هاي متفاوتي جهت استحصال گاز ذغال سنگ وجود دارد كه اين روشها به سه مجموعه كلي زير تقسيم مي شوند:
1- بستر متحرك
2- بستر سيال
3- روش(Entrained bed)
در هر سه مورد فوق بخار و هوا يا اكسيژن به ذغال در حال اكسيد شدن اضافه مي شود.
در روش بستر متحرك واكنشگرها در دماي نسبتأ پايين( 650-450)�C محصولات متان واتان را به همراه مايعات هيدروكربني نظير نفتا- قطران و روغنهاي هيدروكربني و فنليك ها توليد مي كند.
در روش(Entrained bed) واكنش توليد گاز در دماي بالا( 1200 �C)انجام شده در اين صورت در صد بالاتري از محصولات گازي توليد شده و ميزان كم تري از هيدروكربن هاي مايع توليد مي شود. محصولات گازي توليدي شامل هيدروژن، مونوكسيد كربن و دي اكسيد كربن است.
در روش بستر سيال دماي راكتور(1050-�C925) است. محصولات گازي توليد شده در اين راكتور حد واسط دو روش فوق است.
3- گاز طبيعي
گاز طبيعي اغلب در نزديكي مخازن زير زميني نفت خام قرار گرفته ولي به تنهايي نيز در نقاط مختلف زمين يافت مي شود. اتان و پروتان با تركيب درصد بسيار كم تر در گاز طبيعي وجود دارند. گاز طبيعي بر اساس ميزان H2S موجود در گاز به دو نوع گاز ترش (در صد قابل توجه H2S) وگاز شيرين (درصد كم از H2S) طبقه بندي مي شود.
جدول 2 نشان دهنده تركيب در صد اجزاي مختلف گاز طبيعي در نقاط مختلف كره زمين است. قبل از اينكه گاز طبيعي به سيستمهاي انتقال گاز وارد شود از تركيبات گوگرد و اجزايي با وزن مولكولي بالا , نيتروژن , گازهاي اسيدي و مايعات هيدروكربني وآب از گاز جدا مي شود.

جدول 2 : تركيب درصد اجزاي مختلف گاز طبيعي در نقاط مختلف كره زمين
4- سوختهاي منشاء زيستي (Biofuel)
بيومس(Bio-mass) و بيومتر(Bio-matter)مفهوم عام مواد آلي هستند كه از ارگانيسم هاي زنده گرفته
شده كه شامل گياهان دريايي وزميني وهم چنين حيوانات و باقيمانده موجودات زنده مي شوند. تخمين زده مي شود كه حدود 150 گيگاتن از سبزيجات و گياهان بيو در هر سال توليد مي شود.
با توجه به محتوي انرژي بالاي مواد بيومس، اين مواد را مي توان جزو منابع مهم انرژي هاي تجديدپذير دانست. انرژي اين مواد از چند روش قابل استحصال است.
- سوختن مستقيم
- تبديل به بيو گاز توسط پيروليز
- تبديل به اتانول توسط تخمير
- تبديل شدن به متانول يا آمونياك
- تبديل شدن به هيدروكربنهاي مايع
منبع ديگر سوختهاي بيو(Bio-Fuel) زباله هاي شهري است.5-توليد هيدروژن از انرژي خورشيدي ، آب و باد
از آنجائيكه هيدروژن براي حمل ونقل و انبار سازي دراز مدت با چگالي اي بيش از چگالي گاز در حالت مايع قابل استفاده است، مي تواند اتكاي بشر به سوخت هاي فسيلي را جايگزين نمايد. هيدروژن را مي توان از سيستم هاي فوتوالكتروشيميائي كه هيدروژن و اكسيژن را مستقيمأ از آب توليد مي كنند، بدست آورد. يكي از موفقيت هاي جديد در اين زمينه به توجه ويژه اي نياز دارد زيرا كه نقش كلروفيل در فوتوسنتز را با كمك ذرات دي اكسيدتيتانيوم روكش شده با رنگ هايي با پايه روتينيم را كه در برابر فوتوسنتز حساس مي باشد، تقليد مي كند.
بهر حال، در اين مورد و ساير تحقيقات فوتوالكتروشيميائي جاري هنوز نياز به پيشرفت بسيار زيادتري احساس مي شود تا كارآ ئي مكانيزم ها افزايش پيدا كند و مسئله خرابي و تجزيه را كه هنوز در فصل مشترك جامد مايع مزاحمت ايجاد مي كند، حل كند. الكتروليز آب با كمك انرژي برق بطور كامل آزمايش شده است و ساده ترين روش براي بدست آوردن هيدروژن است.
مي توان تصور كرد كه كشورهاي نيمكره شمالي امكانات بالقوه انرژي خورشيدي ملي خود را نسبتا زودتر ازكشورهاي جنوب بكار بگيرند و پس از آن زمان مايل به وارد كردن انرژي هاي تجديدپذير باشند. احتمالا ساده ترين راه واردات انرژي هاي تجديدپذير همين هيدروژن خورشيدي است. در اين سيستم كه يك پروژه مشترك آلماني و كانادائي است، الكتروليز آب بوسيله هيدروالكتريسيته انجام مي گيرد. هيدروژن توليد شده در كانادا با كشتي به اروپا حمل مي شود و در اروپا ذخيره شده و به طرق مختلف به مصرف مي رسد. در حال حاضر تنها سازمانهاي هوا فضائي هستند كه از انرژي ذخيره شده در هيدروژن استفاده مي كنند.
دو مشكل اصلي كه بر سرراه استفاده از انرژي باد موجود است عبارتند از:

  • به علت نامنظم و غيردائمي بودن وزش باد بايد انرژي به دست آمده را به طريقي ذخيره نمود.
  • انرژي موجود باد بسيار پراكنده است به طوري كه وسعت زمين لازم برابر بدست آوردن انرژي از باد پنج برابر وسعت زمين لازم براي بدست آوردن همان مقدار انرژي از خورشيد به وسيله سلول هاي خورشيدي مي باشد.

يعني مواقعي كه باد نمي وزد و يا سرعت آن كم است نبايد در توليد جريان برق و ولتاژ آن اختلالي پيش بيايد و لذا بدين منظور بايد يك منبع ذخيره برق به صورت باطري هاي متعدد موجود باشد ابتدا جريان برق توليد شده توسط ژنراتور بادي آن را شارژ نموده و سپس اين منبع جريان مستقيم به وسيله دستگاهي به جريان متناوب با ولتاژ جريان و فركانس منظم تبديل شود و مورد استفاده قرار بگيرد.
برخي از ويژگي هاي انرژي هاي تجديد پذير (نوين):
-اين انرژي ها بطور وسيع توزيع شده و نسبتاً پراكنده هستند.
- از نظر تجاري هنوز بطور جزئي توسعه يافته اند. مصرف كنندگان چنين انرژي هايي با شرايط متفاوتي روبرو هستند.
- اين منابع اساساً نامحدود هستند لكن با درك موجود، گران و غيرقابل اعتماد تلقي مي شوند.
- اغلب آنها از نظر زيست محيطي بي خطر بوده يا مي توانند بي خطر باشند.