امروزه در استفاده از سوخت‌­های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می­‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌­ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت‌های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و … هستند [1].

در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پر­بازده‌ترین سوخت به­حساب می­آید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیل­های سوختی می­‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل می­کند. علاوه بر این سوخت، سوخت‌های دیگری نیز همچون الکل‌ها به­خصوص متانول و اتانول به­دلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آن­ها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.

2-1- پیل سوختی چیست؟

پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را به­طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می­کند. معمولاً فرآیند تولید انرژی الکتریکی از سوخت‌های فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است:

– احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل می­کند.

– گرمای تولید شده برای به‌جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده می­شود.

– بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرآیند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل می­شود.

– انرژی مکانیکی باعث راه­اندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی می­شود.

در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی‌­گیرد، به­عبارت دیگر به­جای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می‌­شود (شکل1-1).

نکته مهم دیگر که به آن می‌توان اشاره داشت این است که این پیل‌ها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و به­همین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آن­ها بالا می­‌باشد.

مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:

– آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.

پیل­های سوختی که با هیدروژن کار می­کنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آن­ها هوای اضافی و آب می­‌باشد. این ویژگی نیز باعث شده پیل‌های سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگی‌هایی از جمله دی­ اکسید‌کربن تولید می­شود، ولی مقدار این آلودگی­ها کمتر از آلودگی­هایی است که وسایل معمول تولید انرژی به­وجود می­آورند.

– وابستگی کمتر به نفت.

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی می­توان آن را از الکترولیز آب یا سوخت­های هیدروکربنی به­ دست آورد.

– عدم وجود بخش­های متحرک و طول عمر بالا.

از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایده­آل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن می­رسد می­‌تواند بی‌نهایت باشد.

– وزن و اندازه.

پیل‌های سوختی در ظرفیت­های متفاوتی ساخته می­شود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث می­شود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.

– آلودگی صوتی بسیار پایین.

– راندمان بالا نسبت به فناوری‌های دیگر.

3-1- تاریخچه

در سال 1839 ویلیام گرو[1] فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته به­کار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌‌‎کرد [1].

اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر می­گردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند[1] و چارلز لنجر[2] ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاش­هایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلو­واتی ساخته شد.

از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیل­های مزبور در سفینه­های جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فن­آوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو به­کار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایه­گذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فن­آوری پیل سوختی توسعه چشم­گیری پیدا کرده است.

هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهره­برداری قرار گرفت که توان پرواز طولانی (شش ماه) بدون وقفه را دارد.

پیشرفت‌های بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیل‌ها و افزایش بازده کارآیی آنها می­باشد تا این پیل­ها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند [2].

4-1- کاربردهای پیل سوختی

در شکل (1-3) منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای مورد استفاده از هیدروژن و سهم هر یک به صورت شماتیک رسم شده است.

همان‌طوری­که در شکل 1-4 مشخص است، می‌توان کاربردهای پیل سوختی را به سه بخش کاربرد وسایل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسایل متحرک و کاربرد­های نیرو­گاهی تقسیم نمود.

[1]Ludwig Mond