مقدمه
پیل های سوختی فناوری جدیدی برای تولید انرژی هستند که بدون ایجاد آلودگی های زیست محیطی و صوتی، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده، انرژی الکتریکی با بازدهی بالا تولید می‌کنند. تولید مستقیم الکتریسیته جایگزینی برای 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 ممکن می‌رساند و به بازده تئوری دست پیدا می‌کنیم. در پیلهای سوختی اکسید جامد سرامیکی (اکسید سرامیک) رسانای یون در الکترولیت است و از اهمیت بسزایی برخوردار است. این پیل در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد کار میکند و با بازده در حدود ۶۰ درصد، توان الکتریکی معادل ۱۰۰ مگاوات دارد. در حال حاضر تعداد زیادی از محققان روی جنبه‌های مختلف پیل سوختی اکسید جامد، جهت بهبود خواص پیل کار می‌کنند. برای این کار روی خواص الکترودها و الکترولیت که مهم‌ترین قسمت‌های پیل SOFC می‌باشند را بهینه سازی می‌کنند و روی عناصر و مواد تشکیل دهنده آنها مطالعه انجام می‌دهند.
پیل هیدروژنی
انرژی هیدروژن ترکیب تکنولوژیکی (فنی) انرژیهای تجدید پذیر و هیدروژن به عنوان مکانیزم ذخیره یک منبع انرژی پاک و پایدار به حساب می‌آید. پیش بینی می‌شود سلول سوختی در قرن بیست و یکم برای نقل و انتقال انرژی مورد استفاده قرار گیرد. تصور کنید که یک سوخت حرارتی آنقدر پاکیزه باشد که وقتی در اجاق خانه شما می‌سوزد نیازی به دودکش نداشته باشد. سوخت موتور یک وسیله نقلیه را در نظر بگیرید که آنقدر تمیز می‌سوزد که آب خارج شده از موتور آن قابل مصرف است. یک دستگاه ذخیره انرژی را در نظر بگیرید که آلودگی ایجاد نمی‌کند و گاز گلخانه‌ای، باران اسیدی و اثرات خورندگی شیمیایی ایجاد نکرده و هیچ دودی بصورت رد پا بر جای نمی‌گذارد، هیچگونه پسماند رادیواکتیوی ندارد و در عمل از هیچ منبع سوخت طبیعی استفاده نمی‌کند.
هیدروژن و منابع انرژی آینده
امروزه، هیدروژن عمدتاً در تولید آمونیاک، پالایش نفت و ساخت متانول مورد استفاده قرار می‌گیرد. از هیدروژن در برنامه فضایی ناسا، به عنوان سوخت در سفینه‌های فضایی و در پیلهای سوختی که گرما، برق و آب آشامیدنی برای فضانورد تولید می‌کنند نیز استفاده می‌شود. پیلهای سوختی ابزارهایی هستند که هیدروژن را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند. در آینده، می‌توان از هیدروژن به عنوان سوخت خودروها و هواپیما ها استفاده نموده و نیز با به کارگیری از این عنصر، برق مصرفی خانه‌ها و ادارات را تأمین کرد.
هیدروژن را می‌توان با حرارت دادن مولکول‌های هیدرو کربن، در فرآیندی تحت عنوان "تبدیل" هیدروژن به دست‌آورد. در این فرایند هیدروژن از گاز طبیعی گرفته می‌شود. با استفاده از جریان الکتریکی نیز می‌توان آب را در فرآیندی به نام الکترولیز به اجزای سازنده خود یعنی اکسیژن و هیدروژن جداسازی نمود. برخی از جلبک‌ها و باکتری‌ها، از نور خورشید به عنوان منبع انرژی استفاده کرده و تحت شرایط خاصی هیدروژن آزاد می‌کنند.
هیدروژن به عنوان سوخت، انرژی زیادی دارد، در عین حال ماشینی که سوخت آن هیدروژن خالص باشد هیچ آلودگی تولید نمی‌کند. ناسا از دهه ۱۹۷۰، برای به حرکت در آوردن راکت‌ها، و در حال حاضر برای فرستادن سفینه‌های فضایی به مدار زمین، از هیدروژن مایع استفاده میکند. پیلهای دارای سوخت هیدروژن، نیروی لازم سیستم‌های الکتریکی سفینه‌های فضایی را تأمین کرده و محصول جانبی این فرایند، آب خالصی است که توسط سرنشینان خدمه به عنوان آب آشامیدنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. شما میتوانید پیل سوختی را مانند باتری در نظر بگیرید که می‌توان به طور مداوم با اضافه کردن سوخت، آن را شارژ کرد به نحوی که هرگز شارژ آن تمام نشود. هیدروژن یکی از عناصری است که در سطح زمین به وفور یافت می‌شود. این عنصر در طبیعت به صورت خالص وجود ندارد ولی آنرا می‌توان به روشهای مختلف از سایر عناصر بدست آورد. هیدروژن عمده ترین گزینه مطرح بعنوان حامل جدید انرژی است. این ماده در مقایسه با سایر سوخت‌ها می‌تواند با راندمانی بالاتر و احتراق بسیار پاک به سایر اشکال انرژی تبدیل شود.
ویژگی‌های هیدروژن
از عمده ویژگیهایی که هیدروژن را از سایر نمونه های مشابه سوختی متفاوت می‌نماید، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• مصرف منحصر به فرد، انتشار بسیار نا چیز آلایندهها، برگشت پذیر بودن چرخه تولید آن و کاهش اثرات گلخانه‌ای.
• انرژیی هیدروژنی بدلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دائمی،پایدار ، فنا ناپذیر، فراگیر و تجدید پذیر محسوب می‌شود.
• موتور های الکتریکی و پیل های سوختی جایگزین بسیار مناسبی برای موتورهای احتراقی برای کنترل آلودگی و آلایندگی در شهرها می باشند.
• اقتصادی ترین سوخت در دراز مدت به منظور استفاده در خودرو های پیل سوختی؛از پتانسیل بسیار مناسبی بر خوردار است.
روش های تولید هیدروژن
1. تولید هیدروژن از منابع غیرفسیلی (تجدیدپذیرها)
•فتوالکتروشیمیایی
•مواد بیولوژیکی
•بیوشیمیایی
•ترموشیمیایی
•ترمولیز آب
•رادیولیز آب
•مواد زیست توده
•الکترولیز آب
2. تولید هیدروژن از منابع فسیلی (تجدیدناپذیرها)
• مبدل گاز طبیعی تبدیل با بخار آب STEAM REFORMER
یکی از روشهای متداول تولید هیدروژن،تبدیل گاز طبیعی توسط بخار می باشد.متان(عنصر اصلی گازطبیعی)در واکنش تعادلی با بخار شرکت می کند وحاصل این واکنش،هیدروژنوگاز منوکسیدکربن می باشد. CH4 + H2O → CO + 3H2
•هیدروژن حاصل از زغال سنگ
فر ایندی که در آن زغال سنگ به گاز تبدیل می شود را گازی شدن زغال سنگ می گویند. برای تولید هیدروژن یاگاز غنی از هیدروژن معمولا" زغال سنگ با استفاده ازاکسیژن خالص(%٩٥>) در درجه حرارت وفشارهای بالا گازی می شود. 2C+O2 → 2CO+ Heat C + H2O +Heat → CO + H2
• مبدل گاز طبیعی تبدیل اوتو ترمال AUTO THERTMAL
روش thermal Auto در تبدیل سوخت بکار می رود. بدین گونه که در این فرایند در مشعل راکتور مخلوط آب و اکسیده کننده وارد شده و از روی سطح کاتالیست در دمای بالا عبور می کند.واکنشها در این فرایند مخلوطی از واکنشهای گرمازای اکسیداسیون جزیی وگرماگیرتبدیل با بخار آب می باشدو در واقع انرژی مورد نیاز واکنش تبدیل با بخار آب توسط واکنش اکسیداسیون جزیی تأمین می گردد. از اینرو با تغییر نسبت هوا به سوخت دمای واکنش و در نتیجه دمای راکتورکنترل می شود.
• پیرولیز
دیگر روش برای تولید هیدروژن از هیدروکربنها بدین گونه است که با حرارت دادن هیدروکربنها بدون هوا که طی این فرایند ، هیدروکربنها شکسته شده و به هیدروژن و کربن جامد تجزیه می شوند. از مزایای این فرایند شکست حرارتی این است که هیدروژن با خلوص بالایی تولید میگردد و از معایب آن هم وجود کربن جامد است که باید از راکتور خارج شود . بااضافه کردن هوا به راکتور داغ، کربن بصورت دی اکسیدکربن از سیستم خارج می شود.
کاربردهای پیل سوختی
شکل شماتیک سلول سوختی مورد استفاده در اتومبیلها
پیلهای سوختی یک فن آوری امیدوار کننده هستند که می‌توانند به عنوان منبع گرما و الکتریسیته در ساختمان‌ها، و به عنوان یک منبع توان الکتریکی در وسایل نقلیه مورد استفاده قرار گیرد. شرکت‌های خودرو سازی در حال حاضر بر روی ساخت ماشین‌ها و کامیون‌هایی کار می‌کنند که مجهز به پیلهای سوختی باشند. در پیل سوختی خودروها، یک ابزار الکتروشیمیایی وجود دارد که هیدروژن (ذخیره شده در برد سیستم) و اکسیژن هوا را به الکتریسیته تبدیل کرده، موتور الکتریکی اتومبیل را به حرکت در آورده و توان آن را تأمین میکند. گرچه استفاده از این کاربردهای ایده آل برای هیدروژن خالص، اندکی دور از انتظار به نظر می‌رسد، اما در مقیاس واقعی و نزدیک به آن می‌توان به سوخت‌هایی مانند گاز طبیعی، متانول و یا حتی بنزین اشاره کرد. اصلاح این نوع سوخت‌ها برای تولید هیدروژن، امکان استفاده در بسیاری از زیرساخت‌های فعلی انرژی، مانند پمپ بنزین‌ها، لوله کشی‌های گاز طبیعی و غیره، را برای ما فراهم میکند. این در حالی است که استفاده از سلول‌های سوختی در مرحله بهره‌برداری است. در آینده، هیدروژن نیز می‌تواند مانند برق به عنوان یک حامل مهم انرژی محسوب شود. حامل انرژی، انرژی را ذخیره و منتقل کرده و آن را به صورت قابل استفاده‌ای در اختیار مصرف کنندگان قرار می‌دهد. برخی از کارشناسان بر این گمان هستند که هیدروژن، در آینده زیرساخت‌های اصلی انرژی را تشکیل داده و جایگزین گاز طبیعی، نفت، زغال سنگ و نیروگاه‌های کنونی برق خواهد شد. آنها بر این باورند که "اقتصاد نوین هیدروژن" می‌تواند جایگزین جریان " اقتصاد مبتنی بر سوختهای فسیلی" شود، هر چند که این طرح احتمالاً در آینده‌ای دور عملی خواهد شد.
انرژی هیدروژن و پیل سوختی
مجموعه‌ای از عوامل مختلف از جمله محدودیت منابع فسیلی، تأثیرات منفی زیست محیطی، بهره‌گیری از منابع هیدروکربنی، افزایش قیمت سوختهای فسیلی، منازعات سیاسی و تأثیرات آن بر روی ارائه انرژی پایدار از جمله دلایلی هستند که بسیاری از سیاستمداران و متخصصین مباحث انرژی و محیط زیست را در حرکت به سوی ایجاد ساختاری نوین مبتنی بر امنیت ارائه انرژی، حفظ محیط زیست، ارتقاء کارایی سیستم انرژی وادار نموده است. بر این اساس هیدروژن یکی از بهترین گزینه‌ها جهت ایفای نقش حامل انرژی در این سیستم جدید ارائه انرژی می‌باشد. هیدروژن بعنوان فراوانترین عنصر موجود در سطح زمین به روشهای مختلف قابل تولید می‌باشد. در یک سیستم ایده آل انرژی بر پایه هیدروژن با هدف تأمین امنیت ارائه انرژی، حفظ محیط زیست و ارتقاء کارایی سیستم انرژی، هیدروژن از الکتریسیته تولیدی از منابع تجدیدپذیر نظیر باد، خورشید، زمین گرمایی و نظایر آن تولید شده و پس از ذخیره‌سازی و انتقال به محل‌های مصرف، در کاربردهای مختلف از جمله تجهیزات الکترونیکی کوچک (میلی وات)، صنعت حمل و نقل و صنایع نیروگاهی قابل بکارگیری است. با این رویکرد بسیاری بر این باورند که سوخت نهایی بشر هیدروژن بوده و بشر درآینده‌ای نه چندان دور عصر هیدروژن را تجربه خواهد نمود. از جمله ویژگیهایی که هیدروژن را از سایر گزینههای مطرح سوختی متمایز می‌نماید، می‌توان به فراوانی، مصرف تقریباً منحصر به فرد، انتشار بسیار ناچیز آلایندهها، برگشت‌پذیر بودن چرخه تولید آن و کاهش اثرات گلخانه‌ای اشاره نمود. سیستم انرژی هیدروژنی بدلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دایمی، پایدار، فناناپذیر، فراگیر و تجدیدپذیر می‌باشد و پیش بینی می‌شود که در آینده‌ای نه چندان دور تولید و مصرف آن بعنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت نموده و اقتصاد هیدروژنی تثبیت شود؛ با این وجود نباید انتظار داشت که هیدروژن در بدو ورود از نظر قیمتی بتواند با سایر حاملهای انرژی رقابت نماید. در آینده هیدروژن و پیلهای سوختی می‌توانند نقش محوری و کنترل کنندگی در آلودگی شهرها داشته باشند. عمل تبدیل انرژی شیمیایی موجود در هیدروژن به انرژی الکتریکی توسط پیل سوختی انجام می‌پذیرد که متناسب با کاربرد و خواص ساختاری آنها، پیلهای سوختی خود به انواع مختلف تقسیم می‌شوند. در واقع اهمیت فناوری پیل سوختی در یک سیستم انرژی بر پایه هیدروژن (عصر هیدروژن) به گونه‌ای است که بسیاری آنرا به لوکوموتیو قطار توسعه عصر هیدروژن تشبیه نموده‌اند. علاوه بر فناوری پیل سوختی به عنوان مصرف کننده هیدروژن در عصر هیدروژن، فناوریهای تولید، ذخیره‌سازی، عرضه و انتقال هیدروژن نیز از اجزاء اصلی ساختار انرژی این عصر خواهند بود.