هیدروژن یکی از عناصری است که در سطح زمین به وفور یافت می شود. این عنصر در طبیعت بصورت خالص وجود ندارد اما می توان آن را توسط چندین روشمختلف از سایر عناصر بدست آورد .
روشهایتولیدوتوزیعگازهیدروژن زیرساخت سوخت هیدروژن را می توان به روشهای گوناگون طراحی نمود . کارشناسان معتقدند که منابع تولید هیدروژن و نحوه انتقال و توزیع آن متناسب باشرایط و مزایای جغرافیایی متفاوت خواهد بود . بعنوان مثال در مناطقی که منابع گاز طبیعی ارزان وجود دارد تولید هیدروژن از منابع گازی به صرفه ترین روش میباشد. در منطقه ای که منابع برق ارزان در دسترس باشد ، از منابع برق و با روش الکترولیز آب ، تولیدهیدروژن توجیه اقتصادی دارد و در مناطقی که سوختهایدیگری مانند اتانول وجود داشته باشد، اتانول بعنوان منبع اولیه هیدروژن مزیت ویژه ای دارد.روشهای تولید و توزیع هیدروژن عبارتند از: 1. تولید انبوه هیدروژن بصورت متمرکز
توزیع بصورت هیدروژن مایع
توزیع بصورت گاز فشرده شده
توزیع بصورت جامد )گاز ذخیره شده در هیدریدهای فلزی(
2. تولید گاز هیدروژن در جایگاههای سوخت گیری )غیرمتمرکز(
از منابع گاز طبیعی به روش رفورمینگ متان و اکسیداسیون جزئی
با روش الکترولیز قلیایی آب
به روش الکترولیز با غشاء پلیمری
3. تولید گاز هیدروژن بر روی خودرو
استفاده از بنزین یا گازوئیل بعنوان سوخت و تبدیل آن به هیدروژن در مبدل موجود در خودرو
استفاده از متانول و یا هر سوخت مایع مناسب دیگر بعنوان سوخت و تبدیل آن به هیدورژن در مبدل مناسب نصب شده بر روی خودرو
دستهبندیاطلاعاتمربوطبهروشهایتولیدهیدروژن دورنمای هیدروژن بعنوان یک سوخت در آینده در دو مرحله از زمان حائز اهمیت است:
1. تولیدهیدروژنازمنابعفسیلی
اکسیداسیون جزئی نفت سنگین
مبدل گاز طبیعی با پروسه تبدیل گاز توسط بخار (Steam Reformer)
مبدل گاز طبیعی اکسیداسیون جزئی( (Partial Oxidation Reformer
2. تولیدهیدروژنازمنابعغیرفسیلی (تجدیدپذیرها)
فتوالکتروشیمیایی
مواد بیولوژیکی
بیوشیمیایی
ترموشیمیایی
ترمولیز آب
رادیولیز آب
مواد زیست توده
الکترولیز آب
روشهایتولیدهیدروژن با وجود اینکه هیدروژن دومین عنصر فراوان در طبیعت می باشد ولی هیدروژن بصورت عنصرهمانند سوختهای فسیلی متداول در دسترس نیست . هیدروژن رامی توان از سوختها یی همچون زغال سنگ،نفت یا گاز طبیعی بدست آورد.امروزه هیدروژن را می توان از فرایندهایی همچون الکترولیز آب، رفورمینگ گاز طبیعی و اکسیداسیون جزئی سوختهای فسیلی بدست آورد . درحال حاضر ٩٨ %از کل هیدروژن تولید شده در جهان از سوختهای فسیلی بدست می آید؛ در آینده نزدیک از سوخت هیدروژن برای بحرکت در آوردن وسایل نقلیه، گرم کردن وغذاپختن در خانه ها، استفاده می شود. در حال حاضر هیدروژن تولیدی در صنعت بعنوان یک فرآورده شیمیایی و نه بعنوان یک سوخت تلقی می شود. فروشتجاری هیدروژن کمتر از ١٠ % میزان تولید آن در دنیا می باشدکه این رقم بالغ بر بیست میلیون تن در سال تخمین زده می شود؛ بدین معنی که ٩٠ % هیدروژنتولیدی درمحل تولید به مصرف می رسد؛ بعنوان مثال امروزه صنایع هیدروژنی در ایالات متحده آمریکا سالیانه نه میلیون تن هیدروژن تولید می کند که این میزانسوخت مورد نیاز ٢٠ تا ٣٠ میلیون وسیله نقلیه هیدروژن سوزو تعداد ٥ تا ٨ میلیون خانوار را تأمین می کند.
امروزه تنها سهم کوچکی از هیدروژن تولیدی بعنوانیک حامل انرژی مورد استفاده قر ار می گیرد. روشهای مختلف تولید هیدروژن از منابع گوناگون انرژی، نیازهای منحصر به فرد دارند و محصولات جانبی منحصربهفرد تولید یا توزیع می کند. برای بهینه سازی و ایجاد تنوع در روشهای تجاری تولید هیدروژن نیاز به تحقیق و توسعه بیشتر و ساخت نمونه است. روشهایپیشرفته جهت جداسازی مواد آلاینده لازم است تا قیمتهای هیدروژن تولیدی را کاهش داده و راندمان ر ا افزایش دهند . روشهای مناسبتری هم برای تولید هیدروژن بصورت ایستگاهی وهم بصورت پراکنده برای تولید هیدروژن نیازا ست و باید تلاشهایی بر روی فرایندهای تجاری موجود همچون رفورمینگ متان،الکترولایزرها و ... در توسعه تکنیکهای پیشرفته همچون پیرولیز مواد زیست توده و جداسازی آب به روش ترموشیمیایی، الکترولیز فتو الکتروشیمیایی و روشهای بیولوژیکی متمرکز باشد . هیدروژن در پالایشگاههای بزرگ ، در مناطق صنعتی ، پارکهای انرژی، جایگاههای سوخت گیری در جوامع مختلف تولید خواهد شد وبسهولت در مناطق روستایی و منازل مشتریان توزیع وپخش خواهد شد.
هیدروژن مورد نیاز (مثلا" برای پیل سوختی) را می توان ازمنابع مختلفی همانند منابع انرژی اولیه (نفت خام )، منابع انرژی ثانویه) آنهایی که با استفاده از منابعاولیه انرژی تولید می شوند ما نند هیدروژن( منابع تجدیدپذیر (آنهایی که بدون دخالت انسان بطور متناوب تولید می شوند مانند باد، خورشید و آب) بدست آورد ؛بعلت عدم آلایندگی محیط زیست و عدم تولید دی اکسید کربن و عدم تأثیر درگرم شدن کره زمین،همچنین دانسیته انرژی بالا و امکان استفاده و انتقال آن درمصارف گوناگون انرژی، دانشمندان از هیدروژن بعنوان سوخت آینده یاد می کنند.دانسیته کم هیدروژن در حالت گازی، کاربرد هیدروژن را بعنوان حامل انرژی با مشکل روبرو ساخته است .بدین معنی که نسبت به سوختهای مایع همچون بنزینیا متانول از محتوای انرژی کمی به ازاء هر واحد حجم برخوردار است (حدود ٧/١٢٠ کیلوژولبهازاءهرکیلوگرم ) وبهایندلیلبعنوانسوختموشکازآناستفادهمی گردد.
هیدروژن مایع بالاترین دانسیته انرژی را نسبت به کلیه سوختها داراست. اما باید در دمای بسیار پایین ( ٢٥٣ درجه سانتیگراد ) وفشارهای بالا ذخیره شود که این مسئله، ذخیره سازی و حمل و نقل آنرا مشکل می سازد.هیدروژن در طبیعت بطور خالص وجود ندارد، بلکه باید از آنرا از آب و یا سوختهایی نظیر زغال سنگ،گاز طبیعی، نفت، متانول و اتانول که در ساختار مولکولی خودهیدروژن دارند، تهیه نمود. بنابراین سوخت هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی از الکترولیز آب و یا تبدیل سوختهای متداول فراهم می گردد. در صورت دوم وجودمبدلهای سوخت الزامی می باشد؛ بنابراین می توان گفت عملکرد مبدل سوخت تبدیل یک سوخت فسیلی سرشار از هیدروژن به هیدروژن و محصولات فرعیدیگر نظیرCO2 می باشد.
مبدلها یابصورت یک واحد مجزا (متمرکز و غیرمتمرکز ) و ساکن در نیروگاهها هستند) مبدلهایی که در محل سوخت گیری نصب میشوند) و یا در کنار پیل سوختی بصورت مبدل نصب شده[1] در وسایل حمل و نقل بکار گرفته می شوند. استفاده از مبدل بصورت مبدلهای نصب شده درکشتیهای مجهز به پیل سوختی وخودروها خصوصًا در مورد خودروها موجب پیچیدگی سیستم می گردد؛ اما دارای این مزیت است که ازسوختهای موجود درزیرساختها و شبکه های توزیع فعلی استفاده می کند.کارمبدل سوخت، فراهم آوردن هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی با استفاده از سوختهایی است که دردسترس بوده و حمل و نقل آن آسان می باشد. مبدلهایسوخت باید توانایی انجام این کار را با حداقل آلودگی و بالاترین راندمان داشته باشند .
عملکرد مبدلهای سوخت به زبان ساده عبارتست از اینکه یک سوختسرشار از هیدروژن را به هیدروژن و محصولات فرعی دیگر (CO2) تبدیل نماید.یکی از مشکلات مهم مبدلهایی که بر روی خودروها نصب می گردند، وزن و حجم مبدل می باشد. برای ارتقاء سطح بازده، لازم است وزن و حجم مبدلها به ازایهر واحد انرژی الکتریکی حاصل از سیستم تا حد ممکن کاهش یابد؛ بهمین ترتیب هزینه ساخت مبدلها نیز باید پایین نگاه داشته شود تا گران بودن این فناوریمانع از تولید انبوه خودرو نشود و دومین مشکل در این زمینه میزان خلوص هیدروژن تولید شده ازمبدلها است. در مورد مبدلهایی که سوخت ورودی به آنها گازطبیعی و یا مشتقات نفت می باشد، وجودناخاصیهای گوگرد دار در سوخت می باشد.این ترکیبات آلی گوگرد دار بایستی از سوخت زدوده شوند؛ زیراگوگردبعنوان مسموم کننده کاتالستهای مبدل عمل می کند. در مورد گاز طبیعی ترکیبات گوگرد دارعبارتنداز: ترکیبات بوداری که جهت ایمنی به گاز اضافه می گردند.
طراحی سیستم گوگرد زدایی باید به دقت انجام گیرد تا از عدم وجود مشتقات گوگرد دار در گاز عبوری از روی کاتالیستهای مبدل اطمینان حاصل گردد وبرای اینمنظور از راکتوری استفاده می شود که در آن واکنشهای هیدروژناسیون در حضور کاتالیستهای اکسید مولیبدم نیکل یا اکسید مولیبدم کبالت صورت م ی پذیرد وطی یک سری واکنشهای شیمیایی،ترکیبات آلی گوگرد دار به گاز سولفید هیدروژن تبدیل می گردند.روشهای مختلفی برای تولید هیدروژن وجود دارد . هیدروژن را می توان از طریق تبدیل سوختهای فسیلی)بنزین، نفت، گاز طبیعی و ( ... در مبدل سوخت بدستآورد و یا با استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر)باد،خورشید و( ... و الکترولایزر (تجزیه آب ) هیدروژن استحصال نمود .
انواع فناوریهای تولید هیدروژن عبارتست از:
1. مبدل گاز طبیعی تبدیل با بخار آب تبدیل گاز طبیعی توسط بخار یکی از روشهای متداول تولید هیدروژن می باشد. متان (عنصر اصلی گازطبیعی) در واکنش تعادلی با بخار شرکت می کند ومحصول واکنش بطور عمده هیدروژن و گاز منوکسیدکربن می باشد:
CH4 + H2O → CO + 3H2
نقش اصلی بخار در واکنشهای تبدیل با بخار این است که تعادل را به سمت تولید COو[SUB]2[/SUB]H هدایت می کند وبا توجه به تعادلی بودن واکنش، با کاهش فشار،واکنش به سمتی پیش می رود که تعداد بیشتری مولکول هیدروژن تولید شود . علاوه بر متان سایرهیدروکربنها نیز می توانند در واکنش تبدیل با بخار آب شرکتکرده و تولید هیدروژن نمایند. از اینرو شکل عمومی واکنش تبدیل بخار آب را می توان بصورت ذیل نشان داد:
C H + nH O ↔ nCO+(n+m/2)H[SUB]2
[/SUB]
این واکنش بشدت گرماگیر بوده و برای تولید بیشتر هیدروژن و مونوکسید کربن باید واکنش درشرایط دمای بالا و فشار پائین انجام شود . فشار معمولا" ثابتمی باشد؛ بنابراین بالا بردن درجه حرارت واکنش را به سمت تولید هیدروژن پیش می برد. برای تأمین چنین حرارت بالایی(حدود ٨٠٠ الی ٩٠٠ درجه سانتیگراد )راکتوری که واکنش در آن انجام می شود را در بخش تشعشعی یک کوره قرار می دهند.
در این فرایند نسبت بخار به کربن خوراک ورودی5/3 می باشد؛ بنابراین با این شرایط ٩٨ درصد متان به هیدروژن تبدیل می شود و در صورت نیاز به تبدیل بالاترمتان، می توان از مبدل دومی (مبدل اکسیداسیون جزئی)استفاده کرد . در مبدل دوم مقدار معینی اکسیژن یا هوا با گاز خروجی از مبدل اول در مجاورت کاتالیزور واکنش می دهند. این واکنش باعث اکسید شدن گازشده و در نتیجه درصد بیشتری از متان به هیدروژن تبدیل میگردد. با استفاده از مبدل دوم بیشتر از6/٩٩ درصد از متان به هیدروژن تبدیل می شود .مزیت داشتن توأم مبدل بخار و اکسیداسیون جزئی بر مبدل بخار این است که دیگر نیازی به عملکرد مبدل بخار اول در شرایط سخت درجه حرارت بالا نمیباشد؛ بعبارت دیگر در سیستم دو مبدلی، مبدل اول بخاردر درجه حرارت پایینتری کار می کند، ضمنًا در سیستم دو مبدلی راندمان و مقدار تبدیل افزایش یافتهوهزینه دستگاهها و تجهیزات کاهش می یابد. در صورت استفاده از گاز طبیعی بعنوان سوخت در دستگاه پیل سوختی، از مبدل گاز طبیعی استفاده می شود.
2. مبدل گاز طبیعی تبدیل با استفاده از اکسیداسیون جزئی در مواردی که استفاده از گاز طبیعی اقتصادی نباشد یا نفت سنگین به قیمت ارزان در دسترس باشد ازاکسیداسیون جزئی برای تولید هیدروژن استفاده میشود. باقیمانده های حاصل از فرایندهای شیمیایی ترجیحًا برای تولید هیدروژن و مونوکسیدکربن استفاده می شود. واکنشهای اکسیداسیون جزیی شاملموارد زیر است:
اکسیداسیون جزیی یک واکنش گرمازا بوده و در دمای بالا ( بین ١٢٠٠ تا ١٥٠٠ درجه سانتیگراد ) بدون وجودکاتالیست انجام می گیرد. مزیت استفاده از اینروش بر فرایندهای کاتالیستی این است که دیگر نیازی به پاکسازی موادی نظیر مشتقات گوگرد دار نیست . هر چند گوگرد بایستی در مراحل بعدی زودودهشود.دمای بالا در اکسیداسیون جزیی استفاده از برشهای نفتی سنگین تر که در فرایندهای کاتالیستی قابل مصرف و تبدیل به هیدروژن نبوده اند را در اینفرایند امکان پذیر می سازد. دمای بالای عملیاتی، کاربرد این فرایند را در مقیاسهای کوچک با مشکلات متعددی مواجه ساخته است . استفاده از کاتالیست هاسبب می گردد تا دمای فرایند کاهش یابد که در این صورت به آن فرایند اکسیداسیون جزیی کاتالیستی [2] گفته می شود.کاتالیستهای مورد استفاده در CPO بر پایه پلاتین و نیکل هستند . در فرایند تبدیل اکسید اسیون جزیی نسبت به فرایند تبدیل با بخار آب، میزا ن هیدروژن کمتریبه ازای هر مولکول متان تولید می گردد که این به معنی پایین بودن راندمان اکسیداسیون جزیی (کاتالیستی یا بدون استفاده از کاتالیست ) نسبت به فرایندتبدیل با بخار آب است؛ همچنین بدلیل گرمازا بودن واکنش تبدیل در این فرایند،حرارت تولید شده در پیل نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد و از اینرو راندمان پیلکمی پایین است.برای تهیه خوارک پیلهای سوختی مبدل اکسیداسیون جزئی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مبدل با تغییرنسبت هوا به سوخت، حرارت واکنش و در نتیجهحرارت راکتور کنترل می شود؛ از اینرو هیچ مبدل حرارتی دیگری نیاز نمی باشد.
3. مبدل گاز طبیعی تبدیل با استفاده از Auto thertmal تبدیلAuto thermal روش دیگری است که در تبدیل سوخت بکار می رود. در این فرایند مخلوط بخار آب و اکسید کننده (اکسیژن یا هو ا) به قسمت مشعل راکتوروارد گردیده و سپس از روی سطح کاتالیست دردمای بالا عبور می کند. واکنشها در این فرایند مخلوطی از واکنشهای گرمازای اکسیداسیون جزیی وگرماگیرتبدیل با بخار آب می باشد و در واقع انرژی مورد نیاز واکنش تبدیل با بخار آب توسط واکنش اکسیداسیون جزیی تأمین می گردد. از اینرو با تغییر نسبتهوا به سوخت دمای واکنش و در نتیجه دمای راکتور کنترل می شود.
روش Auto thermal
برای تمامی سوختهای هیدروکربنی(CnHmOp) واکنش اکسیداسیون جزئی بصورت زیر می باشد:
که در واکنش فوق xنسبت هوا به سوخت می باشد. دمای و اکنش فقط تابعxاست . وقتیx صفرشود واکنش فوق یک واکنش تبدیل با بخار آب خواهد بود که بسیار گرماگیرست ، وبا زیاد شدن مقدارxاز شدت گرماگیری کاسته می شود تا اینکه در یک نسبتخاص، واکنش نه گرماگیر و نه گرمازا است؛ به همین دلیل است که این نوع مبدل، مبدل را Auto thermal می نامند . مزیت این فرایند Auto thermal این است که نسبت به سیستمهای معمول به بخار آب کمتری نیاز دارد وهمه حرارت مورد نیاز واکنش نیز بوسیله احتراق بخشی از سوخت فراهم می گردد؛ بنابراینمدیریت حرارت آن ساده بوده و نیازی به سیستمهای پیچیده نیست.
مقایسه فرایند تبدیل سوخت در دو فرایندAuto thermalو فرایند تبدیل با بخار آب
4.پیرولیز علاوه بر روشهای فوق، روش دیگری برای تولید هیدروژن از هیدروکربنها وجود دارد که این روش عبارتست از حرارت دادن هیدروکربنها در غیاب هوا که طی اینفرایند ، هیدروکربنها شکسته شده و به هیدروژن و کربن جامد تجزیه می گردند. مزیت فرایند شکست حرارتی این است که هیدروژن با خلوص بالایی تولید میگردد. مشکل آن هم وجود کربن جامد است که بایستی از راکتور مربوطه خارج شود . با افزودن هوا به راکتور داغ، کربن بصورت دی اکسیدکربن از سیستم خارجمی شود. اخیرًا هم استفاده ازفرایند شکست حرارتی پروپان برای تأمین هیدروژن جهت کاربرد در سیستمهای پیل سوختی پلیمری پیشنهاد شده است.
5. هیدروژن حاصل از گازی شدن زغال سنگ گازی شدن زغا ل سنگ فر ایندی است که در آن زغال سنگ به گاز تبدیل می شود. 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
6. هیدروژن حاصل از فرایند بخار آهن فرایند بخار آهن یکی از قدیمی ترین راههای تولید هیدروژن می باشد. این فرایند بر پایه زغال سنگ بناشده است . گاز حاصل از زغال سنگ برای احیاء اکسیدآهن و تبدیل آن به آهن کاربرد دارد . هیدروژن از اثرمتقابل بخار با اکسید آهن حاصل می شود. در مرحله اول زغال سنگ تحت تأثیر بخار و هوا برای تولیدگازهایاحیا کننده هیدروژن و منوکسیدکربن، گازی می شود
2C+O2 → 2CO+ Heat C + H2O +Heat → CO + H2
در مرحله دوم این گازها با اکسیدهای آهن واکنش داده و شکلهای احیا شده اکسیدهای آهن را ایجاد می نمایند.
در سراسر دنیا طراحی وسا یل نقلیه ای که از هیدروژن بعنوان سوخت استفاده می کنند، مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است و دامنه این مطالعات هر روز درحال گسترش هستند . درحال حاضر دو روش، هیدریدهای فلزی و لوله های نازک کربن[1] برای ذ خیره سازی هیدورژن در وسایل نقلیه وجود دارد که نسبت بهسا یرروشها برتری داشته و بیشتر مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است و این دو فناوری هنوز در فاز تحقیقاتی می باشند. در امر ذخیره سازی هیدروژن، ١٥% درصد از انرژی کل ذخیر ه سازی صرف فشرده سازی هیدروژن می شود و در حدود ٣٠ تا ٤٠ درصد آن نیز صرف فرایند مایع سازی هیدروژن می گردد.سیستمهای فوق سرد [2] که در آنها هیدروژن بصورت مایع درآمده و ذ خیره می شوند، باید کاملا ً ایزوله بوده و نباید کمترین تبادل گرمایی و حرارتی با محیطاطراف داشته باشند؛ زیرا دمای جوش هیدروژن بسیار پایین بودK) ٢٨ /٢٠ (و با دریافت مقادیر ناچیزی از گرما به سرعت بجوش می آید. در موتور وسایل نقلیه می توان گاز هیدروژن را به روش هیدرید ذخیره نمود .
روشهایذخیره سازی مناسب به روش هیدرید فلزی و موتورهای مجهز به سیستم هیدروژن به تکنولوژی بالا یی نیاز دارند . فلزات و آلیاژهای شناخته شده در تماس باهیدروژن وتحت فشاربه هیدرید تبدیل شده وحین این عمل حرارت آزاد می گردد و فقط فلزاتی برای خودروها مناسب هستند که در پروسه به تناوب بتوانند شارژو دشارژ شوند و صنایع فضا یی از بزرگترین مصرف کنندگان هیدروژن مایع است . درحال حاضر در اکثر نقاط جهان، هیدروژن چه بصورت گاز و چه بصورت مایع توسطکشتی وکامیون جابجا می شود و راندمان انتقال و جابجایی هیدروژن به این روش بسیار کم است ولی درآینده نزدیک با افزایش کاربردهای هیدروژن می توان ازخطوط لوله نیز برای جابجایی هیدروژن استفاده کرد که راندمان آن نسبت به جابجایی با کامیون و کشتی بالاترست.کاربردهیدروژن جهت تولید شکلهای مختلف انرژی کاملا ً میسر است ولی یکی از مشکلات عمده، نحوه ذخیره سازی موثر و ایمن آن است . وجود ویژگیهایینظیر نفوذ سریع، بیرنگ بودن شعله، گرم شدن در اثرانبساط و بنابراین خود اشتعالی در فضای آزاد پس از نشت و اثر تردی هیدروژن رو ی فولاد از جمله مشکلاتی است که در حال حاضر در کاربرد روشهای گوناگون ذخیره سازی این ماده خودنمایی می کند.هیدروژن به سه روش اولیه ذخیره سازی می شود:
ذخیره بصورت گاز
ذخیره بصورت مایع
ذخیره بوسیله آلیاژهای فلزی مخصوص و تشکیل هیدریدهای فلزی
1. ذخیره سازی بصورت گاز مخزن ذخیره هیدروژن گازی تحت فشار جزء تکنولوژیهای قدیمی و متداول می باشد. هیدروژن گازی معمولا ً در مخازن لوله ای در فشارهایی به بزرگی Mpa٤١ ذخیره می گردند. در کاربردهای ویژه، مخازن لوله ای از جنس فولاد کم کربن ساخته شده است. و در فشارهایی به بزرگیMpa ٧٠ استفاده می شود ظروف مذکور دیواره دو جداره دارد که لایه داخلی طوری ساخته شده است که با فشار هیدروژن سازگار است ودیواره خارجی نیزازفولاد جوش داده شده با مقاومت بالاتهیه شده می شود. کلا ً طراحی مخزن به گونه ای است که در مقابل فشار تحمل زیادی دارد . زمانی که نیاز باشد تا حجم زیادی از هیدروژن با سرعت معین از مخزن خارج شود در آن صورت از مخازن یا ظروف تقسیم کننده استفاده می شود. زمانی که هیدروژن به مقدار زیاد تولید می شود امکان ذخیره آن در سیستمخط لوله در فشارهای بالا نیز وجود دارد.امکان ذخیره سازی گازها در مخازن زیرزمینی نیز وجود دارد . ذخیره سازی زیر زمینی گازها به دو صورت انجام می گیرد:
ذخیره سازی در محیطهای خلل و فرج دار،جاههایی که گاز بطور طبیعی فضای بین طبقات معدنی یا کریستالها در سنگها را اشغال می نماید
ذخیره سازی در غارها که در این مورد، گاز در فضاها ی حفاری شده یا طبیعی موجود در سنگهای فشرده قرارمی گیرد.
در حال حاضر روش اصلی برای ذخیره زیر زمینی گاز طبیعی، روش اول می باشد. مخازن زیر زمینی هیدروژن که هزینه ترین روش برای ذخیره هیدروژن هستند .مخازن خالی گاز و نفت برای ذخیره زیر زمینی گاز با کمترین سرمایه گذاری، قابل استفاده می باشند.
2.ذخیرهسازیبصورتمایع ذخیره هیدروژن بعنوان یک مایع کرایوژنیک اخیرًا تنها روش در مقیاس بالا می باشد که در صنایع مختلف به خدمت گرفته شده است . هیدروژن مایع بالاتریندانسیته انرژی موجود را در میان سایر سوختهای شیمیایی دارد؛ از اینرو هیدروژن مایع سوخت اساسی برای همه برنامه های ملی فضایی است . یکی ازمشکلات کاربرد هیدروژن مایع، فرایند مایع سازی آن است که در چند مرحله صورت می گیرد. این مراحل شامل:
فشرده کردن گاز هیدروژن با استفاده از کمپرسورهای رفت و برگشتی.
سرد کردن اولیه گاز فشرده شده تا دمای نیتروژن (K)٧٨
انبساط توسط توربینها فرایند اضافی دیگری نیز برای تبدیل ایزومرهای اسپین هیدروژن ارتو به پارا لازم است . این فرایند بدین دلیل مورد نیاز است که هیدروژن نرمال در درجه حرارت اتاقشامل ٧٥ % درصد هیدروژن ارتو و ٢٥ % درصد هیدروژن پارا است؛ در حالی که مخلوط فوق در ٢٠ درجه کلوین تقریبًا از هیدروژن پارا تشکیل شده است .پس اگرهیدروژن در حالت نرمال سرد شود، مقدار زیادی از مایع در اثر گرمای حاصل از تبدیل هیدروژن ارتو به پارا تبخیر می شود. کلا ً انرژی لازم برای فرایند مایع سازیبرابر ٤٠ % درصد ا نرژی احتراق هیدروژن به تنهایی می باشد. درصد معینی از هیدروژن مایع بصورت تبخیر از دست می روددر مایع سازی هیدروژن که در دمای ٢٥٣ - درجه سانتیگراد صورت می گیرد، تجهیزات ویژه ای مورد استفاده قرار می گیرد که به تجهیزات کرایوژنیک موسوماست. انواع سیکلهای مایع سازی هیدروژن عبارتند از:
سیستم Linde-Hampson
سیستم Claude
مبرد Collins برای مایع سازی هلیم جهت استفاده در سیکل مایع سازی هیدروژن
سیستم استرلینگ
سیستم مگنتوکالریک
با توجه به اینکه دمای عمل کرایوژنیک فوق العاده پایین است و از آنجایی که گاز هیدروژن قابلیت نفوذ پذیری فوق العاده ای دارد، مصالح مورد نیاز در تجهیزاتفوق خاص بوده و دارای تکنولوژی مخصوص به خود می باشد. از نظر طراحی و ساخت نیز تکنولوژی بالایی دارد . در حال حاضر تکنولوژی این فرایند درایران موجودنیست و چون میزان تولید هیدروژن مایع پایین است، از نظر اقتصادی تولید چنین تجهیزاتی مقرون به صرفه نمی باشد.
3. ذخیرهسازیبصورتجامد هیدروژن می تواند بوسیله ترکیب با فلزات و آلیاژهای فلزی بصورت هیدرید نیز ذخیره شود . ذخیره سازی هیدریدی چندین مزیت دارد . بعلت نزدیک بودن شبکهاتمی فلز و پیوند فلزی متشکله بین فلز و هیدروژن،مقدار بیشتری هیدروژن در واحد حجم ذخیره می شود. انرژی در واحد حجم چنین سیستمی از حالت مایع بیشتر است ولی وزن واحد حجم نیز تا ده برابر بیشتر خواهد بود . بدلیل فشار پایین ذخیره سازی ، این روش کاملا" با فشار سیستم الکترولیز همخوانی دارد وایمن ترین روش ذخیره سازی است . مخازن ذخیره هیدرید معمولا ً در ابعاد کوچک بکار برده می شود و بطور عمده درصنایع خودرو مورد استفاده دارند.هیدریدهای بکار گرفته شده می بایست قابلیت شارژ و دشارژ به دفعات را داشته باشد . اگر چه تعدادی عناصر فلزی مانند Mg,Ti,V,Pdوجود دارد که برایذخیره سازی هیدریدی استفاده می شوند ولی تقریبًاهمه ترکیبات کاربردی هیدریدی قابل شارژ شدن ترکیبات بین فلزی هستند.سوخت رسانی در یک دستگاه پیل سوختی می تواند به طرق متفاوتی صورت گیرد . انتخاب نوع سیستم سوخت رسانی بستگی به نوع کاربری پیل سوختیدارد.
1. سیستم ذخیره هیدروژن در مخازن تحت فشار استفاده از مخازن ذخیره هیدروژن تحت فشارساده ترین و کاراترین روش می باشد. در این روش که استفاده از آن در خودروها متداول می باشد، هیدروژندرمخازنی که فشار آنها به اندازه کافی بالاتر از فشار مورد نیازسری پیل سوختی است (٢٠ تا ٤٨ مگا پاسکال) ذخیره می شود؛ لذا برای اینکه سری، هیدروژن رادر فشار ودبی مشخص دریافت کند به یک سیستم تنظیم کننده فشاروکنترل کننده دبی نیاز می باشد؛ بعلاوه به علت وجود هیدروژن ١٠٠ % درصد خالص ووجود سایر گازهای رقیق کننده و یا مسموم کننده کاتالیست مانندCOدر گاز ورودی هیچ افت راندمانی در سمت آند نخواهیم داشت . همچنین خلوص هیدروژنبه ما این اجازه را می دهد که هیدروژن مازاد برمصرف در آند مجددًا به آند بازگشت داده تا از خروج هیدروژن جلوگیری گردد . درحال حاضر مخازن تحت فشار فوقانواع تست ضربه، آتش، سایش متناسب با کا ربرد دروسایل حمل و نقل را پشت سر گذاشته و موفق به گرفتن مجوزهای رسمی گردیده اند. از نکات منفی این روش قیمت نسبتًا بالای این مخازن برای استفاده در صنایع خودرو می باشد؛ همچنین فشرده سازی هیدروژن موجب نگرانی برخی از مصرف کنندگان از لحاظایمنی می گردد.
2. استفادهازهیدریدهایشیمیایی ایده ال ترین حالت برای ذخیره هیدروژن این است که آن را در مقادیر زیاد در شرایطی نزدیک به شرایط محیط و سیستمی سبک و کم حجم ذخیره کنیم . درحالی که نه هیدروژن مایع و نه هیدروژن فشرده(بصورت گاز ) نمی توانند این شرایط را فراهم آو رند؛ لذا استفاده از هیدریدهای شیمیایی سبک وزن وبرگشتپذیر یک روش ایده ال و مطابق با خصوصیات مورد نظر می باشد. مواد هیدرید شیمیایی عبارتند از :هیدریدهای کمپلکس آلومینیوم با یک فلز قلیایی که با تیتانیم / زیرکونیمTi/Zr پیش بینی شده است . این موارد درساختا رمولکولی خود دارای هیدروژن بوده وطی یک سری فرآیند هیدروژن آزاد می کنند. مطالعات اولیه بر روی NaAlH[SUB]4[/SUB] متمرکز گردیده است . ظرفیت تئوری تولید هیدروژن در این ماده5/5 درصد وزنی استو واکنش هایی که در طی آن هیدروژن تولید می گردد در ذیل آمده است:
NaAlH[SUB]4[/SUB] مجددًا در مجاورت هیدروژن می تواند به ماده اولیه تبدیل گردد:
عمل doping بصورت خشک و با استفاده از TiC1[SUB]3[/SUB] انجام می گیرد که باعث بهبود در نرخ هیدرید شدن می گردد.
در حال حاضر تلاش برای بهبود ظرفیت عملی ذخیره سازی می باشد که از میزان فعلی ٤% درصد به میزان تئوری(5/5 (%نزدیک گردد . روشهای جدیدی کهبرای ساخت مواد، ابداع گردیده است، حکایت از بهبود ظرفیت جذب، نرخ جذب ودفع هیدروژن دارد . از دیگر موادی که بصورت شیمیایی و در اثر تجزیه ملکول،هیدروژن آزاد می کنند، می توان بهNaBH[SUB]4[/SUB] وNaAlH[SUB]4 [/SUB]شاره کرد . استفاده از هیدریدهای شیمیایی وفلزی در تأمین هیدروژن مورد نیاز زیر دریایی های مجهز بهپیل سوختی بسیار مطلوب می باشد.استفاده از هیدرید آمونیاک(Ammonia Hydride) روش دیگری برای تأمین هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی می باشد که بر مبنای واکنش آمونیاک (NH[SUB]3[/SUB]) باتتراهیدرید لیتیم آلومینیوم(LiAlH[SUB]4[/SUB]) پایه ریزی شده است. این واکنش که عمومًا با نامAmmonolysisشناخته می شود برخلاف سیستمهایی که بر مبنایهیدرولیزمی باشند، در دمای زیر صفر انجام می گیرد و از این رو برای نواحی سرد سیر مناسب می باشد. بهترین نتایج در مقیاس مهندسی گویای این مطلباست که میزان هیدروژن آزاد شده ، ٧ /٦% درصد از وزن واکنش دهنده میباشد. همچنین اثبات شده که مقدار هیدروژن تولید شده ٤ % درصد کل سیستماست.
سیستم هیدرید آمونیاک می تواند در پیلهای سوختی با اندازه های متفاوت مورد استفاده قرار گیرد.
3. استفادهازهیدریدهایفلزی: روش دیگر ذخیره سازی هیدروژن مورد مصرف در پیل سختی، استفاده از هیدریدهای فلزی )فلزات جاذب هیدروژن) و یا بکارگیری هیدریدهای شیمیایی میباشد. بعضی از فلزات مانند منیزیم، پالادیوم، تیتانیوم،کلسیم، پلاتین، زیرکونیم، کبالت، وانادیوم و سیستمهای آلیاژی دوتایی، سه تایی و چند تایی از آنهاقابلیت جذب هیدروژن بمیزان ٢ تا ٧ درصد وزنی از خود نشان می دهند. با توجه به دانسیته بالای اکسید فلزات فوق،مقدار هیدروژن ذخیره شده در یک حجمکوچک از آنها قابل ملاحظه می باشد. بطوری که این روش دارای راندمان حجمی بالاتری نسبت به سیستم ذخیره هیدروژن خالص بصورت مایع یا گاز فشردهاست . بعنوان مثال یک مخزن ٧٠ کیلوگرمی هیدرید فلزی، تقریبًا ٥ کیلوگرم هیدروژن ذخیره می نماید که این مقدار هیدروژن برای طی مسافتی معادل ٤٥٠ الی٥٠٠ کیلومتر توسط یک خودروی پیل سوختی کفایت می کند. سیستم هیدرید فلزکه بر اساس جذب هیدروژن در فاز جامد عمل کرده و بنام ذخیره سازیهیدروژن بصورت جامد معروف است، از مزایای فراوانی برخوردار می باشد که برخی از آنها عبارتست از:
عملکرد در فشار و دمای محیط
ظرفیت حجمی بالا
راندمان بالای ذخیره سازی
خلوص بالای H 2 آزاد شده
نگهداری آسان
حالت جامد
ایمنی
برگشت پذیری
سهولت حمل و نقل
سهولت ساخت
در هیدریدهای فلزی گاز هیدروژن جذب ناحیه سطح مشترک بین فلز و گاز شده و در آنجا به اتمهای هیدروژن تفکیک می گردد که هر یک از این اتمها جذب فازفلزی می گردند. انحلال بی نظم اتمهای هیدروژن در فاز فلز بعنوان فاز آلفا شناخته می شود. در مرحله بعد اتمهای هیدروژن شروع به جایگیری منظم در درونفاز فلزی با یک شکل مشخص نسبت به اتمهای فلز می کنند که به این حالت، فاز هیدریدفلزی یا فاز بتا گفته می شود.خواص شیمیایی و فیزیکی فلز جاذب،تعیین کننده مکان و چگونگی هسته گذاری و رشد فاز بتا می باشند. اینکه فاز بتا، کجا و چگونه، هسته گذاری و رشد می کند، به مشخصه فلزجاذب مربوط میشود. واکنش هیدروژن با یک فلز بصورت زیر قابل نمایش است:
واکنش فوق یک واکنش تعادلی می باشد؛ بعبارت دیگر، با تغییر شرایط دما و فشار ، می توان واکنش را به سمت مورد نظر سوق داد . از آنجایی که تشکیلهیدرات یک واکنش گرمازا می باشد، لذا برای استحصال هیدروژن از هیدرید فلز، سیستم باید گرما دریافت کند . این گرما، آنتالپی (گرمای تشکیل ) واکنش بودهو معیاری از میزان استحکام پیوند فلز هیدروژن می باشد.در عین حال همین که هسته گذاری فاز بتا شروع شود و حال آنکه هر دو فاز آلفا و بتا وجود دارد، تغییربسیار کوچک در فشار هیدروژن باعث افزایش قابل ملاحظهای در غلظت هیدروژن جذب شده در درون ماتریس فلز می گردد. با اشباع فلز جذب از هیدروژن درحالت فاز بتا، دوباره تغییرات ناچیز میزان جذب هیدروژن نیاز بهتغییرات زیاد در فشار هیدروژن خواهد داشت.ذخیره هیدروژن با استفاده از هیدریدهای فلزی در مخازن ذخیره پودر هیدرید فلز انجام می گیرد. ازمشکلاتی که در زمینه کاربرد مخازن پودر جاذب هیدروژن وجود دارد،می توان به موارد زیر اشاره نمود:١- بعد از چندین بار پر و خالی شدن این مخازن از هیدروژن، پودر جاذب فلزی به ذرات ریز تبدیل می شود.برای این گونه مخازن، طول عمر به ازای تعداد دفعاتسوخت گیری تعریف می شود؛ بعبارت دیگر مخازن موجود ازطول عمر بسیار بالایی برخوردار نیستند . در این زمینه تحقیقات گسترده ای در حال انجام می باشد که تا حد ممکن این معضل بر طرف گردد.٢- میزان ظرفیت ذخیره سازی این گونه مخازن جوابگوی نیاز کاربردهای فعلی نمی باشد.جاذبهای فلزی موجود در بازار، ظرفیت جذب هیدروژن بین ٢ تا ٥ درصدوزنی را دارا می باشند. با اصلاح ریزساختار فلز تشکیل دهنده این مخازن، ظرفیت انواع جدید آنها به ٧ %درصد وزنی رسیده است که حداقل ظرفیت مناسببرای کاربردهای خودرویی و قابل حمل می باشد.٣- از مشکلات دیگر در این سیستمها، زمان طولانی سوخت گیری آنها می باشد.در زمینه افزایش سرعت جذب هیدروژن توسط این مخازن نیز موفقیتهاییبدست آمده است بطوری که با کار بر روی ریزساختار این فلزات و با بکار گرفتن برخی کاتالیستها این زمان به چند دقیقه کاهش یافته است.برخی از موارد کاربردهای مخازن هیدریدهای فلزی در وسایل و ابزارهای دارای پیل سوختی عبارتست از:
تلفنهای قابل حمل
کامپیوترهای قابل حمل
ضبط صوت
تلویزیون های قابل حمل
رادیو
دوربینهای تلویزیونی
ابزارهای دستی برقی
زیردریایی ها و مصارف نظامی
لوازم خبرنگاری
لوازم پزشکی(قابل حمل)
علاوه بر فلزاتی که جاذب هیدروژن هستند، مواد دیگری نیز وجود دارد که جذب هیدروژن بالایی از خودنشان می دهند. یکی از این مواد که از دسته پلیمرها میباشد، سیلیکون نام د ارد که ٥% درصد وزنی جذب هیدروژن از خود نشان می دهد. با توجه به خواص فیزیکی مکانیکی این پلیمر و نیز خواص جذب هیدروژن آن،مخلوط این پلیمر و فلزهای مورد بحث در ساخت مخازن جذب هیدروژن می تواند بصورت ذرات نانو تهیه گردد و بعد بهمراه ذرات فلز در ساخت سیستمهای جدیدمورد استفاده قرار داد. [1] .Carbon Nano Tubes
روشهایی که به منظور انتقال هیدروژن به سه شکل گاز، مایع و جامد استفاده می شود، اثرات فنی اقتصادی چشمگیری بر فرایند تولید تا مصرف هیدروژنخواهد داشت . سه روش متداول که برای انتقال هیدروژن می توان استفاده نمود، عبارتند از:
1. انتقالازطریقخطوطلوله
هیدروژن می تواند بصورت گاز و یا مایع در لوله انتقال داده شود . هیدروژن مایع برای فواصل کوتاه درخطوط لوله عایق کاری شده با ژاکت خلاء برای انتقال از محلتولید به محل برنامه های فضایی منتقل می گردد؛ ولیکن برای فواصل طولانی این لوله های عایق بندی شده برای هیدروژن مایع قابل استفاده نیست .مشکلیکه در مورد هیدروژن وجود دارد، اثر واکنش پذیری هیدروژن با فلزات است که باعث ترک خوردگی فلزات می شود.چگالی انرژی حجمی پایین هیدروژن مشکلدیگری را برای سازگاری با سیستم گاز طبیعی ارائه می دهد. ازنظر حجمی، چگالی انرژی هیدروژن فقط یک سوم چگالی انرژی گاز طبیعی است؛ لذا گازهیدروژن باید به میزان سه برابر در یک خط لوله پمپ شود تا مقدار انرژی معادلی منتقل شود . بنابراین در تبدیل به هیدروژن، نصب پمپها و کمپرسورها الزامیمی باشد؛ بعلاوه تمام تجهیزات باید بهبود داده شوند بطوری که با مشخصات منحصر به فرد هیدروژن سازگار شوند . انتقال هیدروژن از طریق خطوط لوله بطورموفقیت آمیزی در چند کشور منجمله فرانسه، آمریکا، کانادا انجام شده است.
2. انتقالازطریقجادهوراهآهن
الف. حمل و نقل هیدروژن با کامیون
هیدروژن می تواند بصورت یک گاز با فشار بالا در سیلندرهایی در محدوده فشارهایی حدود١٥-٤٠ Mpa توسط کامیون حمل شود . یدک کش لوله ای شاملتعدادی لوله فولادی بزرگ و مقاوم در مقابل فشار بالااست که به یکدیگر متصل شده و روی کامیون یدک کش نصب شده اند. این روش با وجود اینکه یک تکنیکتوسعه یافته است ولیکن چندان سودمند نمی باشد و تنها می تواند برای حمل هیدروژن گازی درحجمهای کوچک مورد استفاده قرار گیرد . در حال حاضرکامیونهای کوچک، هیدروژن مایع را در مقادیرمتوسط روی جاده ها مستقیمًا از محل تولید به محل مصرف حمل می کنند.
ب. حمل و نقل هیدروژن از طریق خطوط راه آهن
هیدروژن مایع در تانکرهایی به ظرفیت ٩٥٠٠ تا ٢٨٠٠٠ گالن حمل می شود. این تانکرها دارای لایه های عایق و ژاکتهای خلاء می باشند. این پوسته های چندلایه ای جهت جلوگیری از اتلاف تبخیر 5/0% در روز استفاده می شود.
3. انتقالازطریقدریا
در حال حاضر کشتیهای مختص هیدروژن مایع وجود ندارد . سه قایق باری مختص هیدروژن مایع بعنوان جزیی از یک برنامه فضایی با ظرفیتهای ٢٥٠٠٠٠ گالن(٩٥٠٠٠٠ لیتر ) مورد استفاده قرار می گیرد. بیش از100کشتی حامل مخزن گاز طبیعی مایع وجود دارد که حمل و نقل تمام گاز طبیعی بین اروپا و شمال وجنوبآمریکا و کشورهای حاشیه اقیانوس آرام را انجام می دهند.
مزایایاستفادهازهیدروژن
مزیت اصلی استفاده از هیدروژن بعنوان سوخت آن است که پس از احتراق محصول تولید شده بخار، آب واکسید نیتروژن است. از مزایای دیگر استفاده از هیدروژنعبارتند از:
می توان براحتی آنرا بوسیله خط لوله انتقال داد و جابجا کرد
میزان حرارت تولید شده در اثر احتراق در واحد وزن بیشتر از هر سوخت مورد استفاده دیگر می باشد.
یک سوخت عمومی بشمار می رود ؛ زیرا میزان اختلاط آن با هوا را برای احتراق در یک باند وسیع می توان تغییرداد.
باقیمانده آن در یک محیط بسته را می توان با سرعت بوسیله جریان هوا خارج کرد و کمتر از سایر سوختهای سمی است
مشکلاتاستفادهازانرژیهیدروژنی:
مشکلات استفاده از انرژی هیدروژنی عبارتند از:
در دمای محیط بسرعت از حالت مایع به حالت گاز در می آید.
برای ذخیره آن در یک مخزن، احتیاج به فشار زیاد در حالت مایع داریم.
نفوذ پذیری زیاد هیدروژن
قابلیت ترکیب شدن سریع با اکسیژن
برای مایع کردن باید دمای آنرا تا °C ٢٥٣ -پایین آورد و در این حالت دانسیته آن بسیار پایین می باشد
انرژی حرارتی هیدروژن ٣٢ درصد ارزش حرارتی گاز متان یا حدود Kcal/m[SUP]3[/SUP] ٣٠٧٠ است
هیدروژن بعنوان بهترین گزینه و اقتصادی ترین سوخت در درازمدت بمنظور استفاده در خودروهای پیل سوختی از پتانسیل بسیار قویی برخوردار است . هیدروژنساده ترین سوخت برای استفاده در خودرو های پیل سوختی است وسبب افزایش راندمان و سادگی خودروی پیل سوختی میگردد.تکنولوژی زیرساخت سوختهیدروژنی ، تولید، توزیع و انتقال آن کاملا ً توسعه یافته و در دسترس می باشد. در صورت تولید هیدروژن از منابع گاز طبیعی ، قیمت آن از بنزین و گازوئیل کمتراست . هیدروژن فاقد مضرات زیست محیطی بوده اما سرمایه گذاری زیادی برای تدارک زیرساخت آن ذخیره سازی بر روی خودروهای سواری باید استاندارد شدهو از جنبه ایمنی قابل قبول گردد.
پیل سوختی چیست ؟ پیل سوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیمًا به ا نرژی الکتریکی تبدیل می کند. در آند پیل سوختی پلیمری واکنشاکسیداسیون انجام می گردد و الکترون تولید شده واردمدار خارجی شده و سپس به کاتد وارد می شود. یون مثبت تولیدی در آند با عبور از غشاء (الکترولیت) به قسمت کاتد رفته و در حضور کاتالیزور با اکسیژن هوا و ا لکترونی که از مدار خارجی به قسمت کاتد واردشده است به آب تبدیل می گردد.
تاریخچه پیل سوختی اگر چه پیلسوختی به تازگی به عنوان یکی از راهکارهای تولید انرژی الکتریکی مطرح شده است ولی تاریخچه آن به قرن نوزدهم و کار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر میگردد. او اولین پیلسوختی را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.واژه "پیلسوختی" در سال 1889 توسط لودویک مند و چارلز لنجر به کار گرفته شد. آنها نوعی پیلسوختی که هوا و سوخت ذغالسنگ را مصرف میکرد، ساختند. تلاشهای متعددی در اوایل قرن بیستم در جهت توسعه پیلسوختی انجام شد که به دلیل عدم درک علمی مسئله هیچ یک موفقیت آمیز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوختهای فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید. فصلی دیگر از تاریخچه تحقیقات پیلسوختی توسط فرانسیس بیکن از دانشگاه کمبریج انجام شد. او در سال 1932 بر روی ماشین ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسیاری انجام داد. این اصلاحات شامل جایگزینی کاتالیست گرانقیمت پلاتین با نیکل و همچنین استفاده از هیدروکسیدپتاسیم قلیایی به جای اسید سولفوریک به دلیل مزیت عدم خورندگی آن میباشد. این اختراع که اولین پیلسوختی قلیایی بود، “Bacon Cell” نامیده شد. او 27 سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیلسوختی کامل وکارا ارائه نماید. بیکون در سال 1959 پیلسوختی با توان 5 کیلووات را تولید نمود که میتوانست نیروی محرکه یک دستگاه جوشکاری را تامین نماید.
تحقیقات جدید در این عرصه از اوایل دهه 60 میلادی با اوج گیری فعالیتهای مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مرکز تحقیقات ناسا در پی تامین نیرو جهت پروازهای فضایی با سرنشین بود. ناسا پس از رد گزینههای موجود نظیر باتری (به علت سنگینی)، انرژی خورشیدی(به علت گران بودن) و انرژی هستهای (به علت ریسک بالا) پیلسوختی را انتخاب نمود. تحقیقات در این زمینه به ساخت پیلسوختی پلیمری توسط شرکت جنرال الکتریک منجر شد. ایالات متحده فنآوری پیل سوختی را در برنامه فضایی Geminiاستفاده نمود که اولین کاربرد تجاری پیلسوختی بود.
پرت و ویتنی دو سازنده موتور هواپیما پیلسوختی قلیایی بیکن را به منظور کاهش وزن و افزایش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضایی آپولو به کار بردند. در هر دو پروژه پیلسوختی بعنوان منبع انرژی الکتریکی برای فضاپیما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پیلهای سوختی برای فضانوردان آب آشامیدنی نیز تولید میکرد. پس از کاربرد پیلهای سوختی در این پروژهها، دولتها و شرکتها به این فنآوری جدید به عنوان منبع مناسبی برای تولید انرژی پاک در آینده توجه روزافزونی نشان دادند.
از سال 1970 فنآوری پیلسوختی برای سیستمهای زمینی توسعه یافت. تحریم نفتی از سال1973-1979 موجب تشدید تلاش دولتمردان امریکا و محققین در توسعه این فنآوری به جهت قطع وابستگی به واردات نفتی گشت.
در طول دهه 80 تلاش محققین بر تهیه مواد مورد نیاز، انتخاب سوخت مناسب و کاهش هزینه استوار بود. همچنین اولین محصول تجاری جهت تامین نیرو محرکه خودرو در سال1993 توسط شرکت بلارد ارائه شد.
تاریخچه پیلسوختی قلیایی فرانسیس بیکن آزمایشات خود در زمینه الکترولیت قلیائی را در اواخر سال 1930 آغاز نمود و هیدروکسیدپتاسیم جایگزین الکترولیت اسیدسولفوریک که به تازگی توسط گرو کشف شده بود، گردید. هیدروکسیدپتاسیم کارایی مشابه اسید سولفوریک دارد ولی خورنده الکترودها نمی باشد. پیل بیکن همچنین از الکترودهای نفوذ گاز متخلخل تشکیل شده بود. الکترودهای متخلخل، مساحت سطح را افزایش داده موجب واکنش بین الکترود، الکترولیت و سوخت میگردد. همچنین بیکن گازهای فشرده را جهت جلوگیری از پدیده طغیان به کار برد. پس از گذشت 12 سال، بیکن جهت ارائه پیل سوختی قلیائی در مقیاس بزرگ پیشرفت کافی ایجاد نمود.
در سال 1959 Allis-Chalmers یک تراکتور پیل سوختی ارائه نمود که توان سری پیل سوختی آن 15000 وات و متشکل از 1008 تک سل بود. این تراکتور قادر به کشیدن وزن 3000 پوند بود. Allice-Chalmer، برنامههای تحقیقاتی خود را با ساخت کامیون گلف، زیردریایی و جرثقیل ادامه داد. سازمان نیروی هوایی امریکا در این برنامهها مشارکت داشت.
شرکت Union Carbide در اواخر دهه1950 و 1960 آزمایشاتی را بر روی پیلهای سوختی قلیایی انجام داد. آنها پیلهای سوختی با الکترود نفوذ گاز از جنس کربن را در دستگاه رادار برای ارتش امریکا و به عنوان نیرومحرکه موتورسیکلت به کار گرفتند. در همان زمان ادوارد جاستی از آلمان الکترودهای نفوذکننده گاز از جنس نیکل اسفنجی که بر روی ماتریس نیکلکربونیل نگهداری میشدند را ارائه نمود.
در اوایل سال 1960 سازندههای موتورهای هواپیمای Pratt و سازمان Whitney، ارائه دهنده گواهینامه به اختراعات بیکن و سازمان بینالمللی هوانوردی و مدیریت فضا (ناسا) قرار ساخت آپولو فضاپیما با پیلسوختی قلیائی را بستند.
پیلهایسوختی قلیائی با چالشهایی روبرو هستند از جمله: نیاز به هیدروژن خالص و کاتالیست گران قیمت پلاتین دارند و از طرف دیگر پیلهایسوختی رقابت سختی با انواع دیگر پیلهایسوختی در پیشرو دارند.
فعالیت تحقیقاتی دکتر فرانسیس بیکن نقش مهمی در گسترش و ارائه پیلهای سوختی قلیایی داشته است. بیکن (Bacon) کار تحقیقاتی خود را در این زمینه از سال 1932 آغاز کرد و ساخت یک مولد 5 کیلوواتی از پیلسوختی قلیایی را به همراه ارزیابی کارایی این پیل در سال 1952 به پایان رساند.
در آلمان بیشترین تلاشها در زمینه پیلسوختی قلیایی توسط دو شرکت زیمنس (siemens) و وارتا (Varta) انجام شد. در این شرکتها علاوه بر پیلسوختی قلیایی تلاش برای تولید پیلهایسوختی دیگر با الکترولیتهای متفاوت نیز انجام میشد. هر دو شرکت بر روی پیلسوختی با سوخت هیدرازین و متانول کار میکردند که پس از چند سال کار بر روی این سوختها، تلاشها در این زمینهها متوقف شد.
در اوائل دهه 1970 شرکت زیمنس (siemens) پیلسوختی قلیایی با سوخت (H2-O2) را به عنوان زمینه مناسب برای فعالیتهای بعدی انتخاب کرد. الکترود مورد استفاده در این پیل از فلزات کمیاب و گرانقیمت نبود. الکترودها عبارت بودند از "رانی نیکل" (آلیاژ نیکل و آلومینیم در آند و نقره در کاتد). کار بر روی این نوع پیلسوختی در شرکت زیمنس ادامه پیدا کرد تا اینکه در نیمههای دهه هفتاد، یک واحد 6 کیلووات پیلسوختی قلیایی با طراحی مهندسی قابل توجه جهت کاهش حجم ارائه شد. وزن این واحد 85 کیلوگرم و توان و ولتاژ تولیدی آن 6 کیلووات در 48 ولت بود.
در ایالات متحده شرکت UTC مولد پیلسوختی 7 کیلووات را جهت کاربری در سفینههای فضایی و ماهوارهها تولید نمود. از دهه هفتاد تا کنون این نوع پیلسوختی برق و آب مورد نیاز برای سفینه های فضایی را تامین میکند.
تاریخچه پیلسوختی اسید فسفریک (PAFC) استفاده از اسید به عنوان الکترولیت از سال 1842 توسط گرو آغاز شد. او از اسید سولفوریک استفاده کرد، اما اسید فسفریک یک رسانای ضعیف الکتریسیته بوده و جذاب نبود. بنابراین PAFCنسبت به سایر انواع پیلسوختی آهستهتر توسعه یافتند. در سال 1961، المر و تانر در مقالهای به نام " پیلهایسوختی با دمای میانی" موفقیتهای تازهای را منتشر ساختند. آنها تشریح نمودند که در آزمایشاتشان از الکترولیتی استفاده کردند که 35 درصد اسیدفسفریک و 65 درصد پودر سیلیکای چسبیده شده به یک واشر تفلونی دارد. آنها اذعان نمودند که بر خلاف اسیدسولفوریک، اسیدفسفریک تحت شرایط عملیاتی پایداری خود را به لحاظ الکتروشیمی از دست نمیدهد.
مهمترین فعالیتها در زمینه تولید پیلسوختی اسید فسفریک در اواخر دهه 1960 تحت نام پروژهTARGET توسط گروهی متشکل از متخصصین صنایع برق و گاز آغاز شد. هدف اصلی از این برنامه گسترش نیروگاههای تولید توامان برق و حرارت جهت مصارف خانگی و کوچک بود. پیلسوختی اسید فسفریک به دلیل عدم حساسیت به CO2 در این زمینه مورد استفاده قرار گرفت.
تعداد 65 مولد پیلسوختی اسید فسفریک با سوخت گاز طبیعی توسط شرکتهای سازنده موتور هواپیما Patt و شرکت Whitney و با همکاری شرکت گاز آمریکا در فاصله زمانی 83-1969 در آمریکا، کانادا و ژاپن، نصب و راه اندازی گردید. توان این واحدها از 15 کیلووات در سال 1969 به 5 مگاوات در سال 1983 رسید.
همچنین آزمایشگاه ملی لوسآلاموس مطالعات پیلسوختی را آغاز نمود و با هدف ساخت خودروی برقی یک خودروی گلف را با پیلسوختی اسیدفسفریک ارائه نمود.
افزایش میزان تحقیقات به منظور پاسخ دادن به نیازهای تجاری در زمینه تولید تجاری پیلهای سوختی بوده و فعالیت های زیردر جهت پیشرفت پیلسوختی اسید فسفریک به منظور دستیابی به بازارهای تجاری انجام شد:
1. تولید، نصب و راه اندازی 48 واحد نیروگاه 40 کیلووات پیلسوختی اسید فسفریک به منظور تولید همزمان برق و حرارت از سال 1976. این پروژه با حمایت GRIو DOE انجام شد.
2. نصب نیروگاههای 1 مگاوات و 5/4 مگاوات جهت تولید انرژی الکتریکی توسط شرکت UTC. همچنین نصب 245 واحد PC25 با توان 200 کیلووات را از سال 1990 به فروش رسانید.
3. فعالیتهای تحقیقاتی توسط شرکتهای Westinghouse و Engelhard در زمینه توسعه نیروگاههای پیلسوختی اسید فسفریک (PAFC) با سیستم خنک کننده هوا یا روغن.
بحران انرژی در سال 1973 سبب افزایش فعالیت ها در زمینه احداث نیروگاههای پیلسوختی اسید فسفریک شد. این پیشرفتها نه تنها در ایالات متحده بلکه در ژاپن هم مشاهده شد.
در ژاپن برنامه Moonlight با پشتیبانی دولت ژاپن، به توسعه فنآوریهایی با مصرف بهینه انرژی پرداخت. این برنامهها شامل ساخت و نصب دو نیروگاه یک مگاوات از پیلسوختی اسید فسفریک میشد.
تاریخچه پیلسوختی کربنات مذاب (MCFC) تاریخچه توسعه فنآوری پیلهای سوختی اکسید جامد وکربنات مذاب در یک مسیر قرار داشتند تا اینکه در دهه 1950 مسیر تحقیقات در رابطه با این دو نوع پیلسوختی از یکدیگر جدا شد. در دهه 1930 در کشور سوئیس Emil Baur و H. Preis آزمایشاتی را با الکترولیت اکسیدجامد در دمای بالا انجام دادند و با مشکلاتی از قبیل هدایت الکتریکی و واکنشهای جانبی ناخواسته روبرو شدند. واکنشهای جانبی از قبیل واکنش الکترولیت با گاز مونوکسیدکربن و گازهای واکنشگر بودند.
در انتهای دهه1950 دانشمندان آلمانی Broers و Ketelaar بر پایه تجربیات قبلی و تجربه غیر موفق الکترولیت اکسید جامد، توجه خود را بر روی الکترولیت نمکهای کربنات مذاب متمرکز کردند.
کار با الکترولیتهای کربنات مذاب راحتتر بوده و نیازی به فرآیندهای پیچیده تولید پیلسوختی اکسید جامد وجود نداشت. با توجه به دمای بالای کارکرد این نوع پیلسوختی و مزایای متعدد آن بحث نیروگاهی این نوع پیلسوختی مورد توجه قرار گرفته است.
در سال 1960 بروئرس (Broers)و کتیلار (Ketelaar) گزارش کردند که موفق به ساخت یک تک سل شدهاند که در ساخت آن از الکترولیت کربنات مذاب با مخلوط کربناتهای لیتیم، سدیم و پتاسیم توزیع شده در بستر اکسید منیزیم استفاده شده است این تک سل به مدت 6 ماه کارکرد داشته است. با این وجود Broersو Ketelaar متوجه شدند که یون کربنات با گذشت زمان با اجزای سل وارد واکنش شده و مصرف میشود.
تقریباً در همین زمان دکتر فرانسیس بیکن از الکترولیت کربنات مذاب بدون استفاده از بستر، جهت ساخت پیلسوختی کربنات مذاب استفاده کرد و در نهایت تحقیقات دو گروه فوق بر روی الکترولیت با ساختار خمیر مانند متمرکز شد.
در نیمههای دهه 1960 مرکز تحقیقات و گسترش وسایل قابل حمل ارتش ایالات متحده (MERDC) پیلسوختی کربنات مذاب ساخته شده توسطTexas Instrument را مورد آزمایش قرار داد. محدودة توان این پیلهای سوختی بین 100 تا 1000 وات بود. این پیلهای سوختی مجهز به مبدل سوخت خارجی بوده و با سوخت بنزین کار میکردند.
تاریخچه پیلسوختی اکسید جامد (SOFC) در سال 1899 اولین اکسید جامد با خاصیت هدایت یونی توسط نرنست با فرمول (ZrO2)0.85 (Y2O3)0.15 ساخته شد. درسال 1937 بار و پریس این مواد را برای ساخت اولین پیلسوختی اکسید جامد مورد استفاده قرار دادند. آند در این پیلسوختی از جنس کک و کاتد از جنس اکسید آهن بود و دمای کارکرد این پیلسوختی1050 درجه سانتیگراد و گازهای واکنش دهنده در این پیلسوختی هیدروژن و هوا بودند. دانسیته جریان 1 و ولتاژ تولیدی سل mV 650 بود.
در تحقیقات بعدی ویسبارت و روکا پیلسوختی اکسید جامدی را تهیه کردند که در آن زیرکونیا پایدار شده توسط کلسیم به عنوان الکترولیت استفاده شده بود. در این نوع پیلسوختی هیدروژن و هیدروکربنها به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گرفتند. مقاومت لایه ضخیم الکترولیت، ولتاژ خروجی را محدود میکرد.
در سال 1940 شرکت روسی Davtyan از ترکیب شن مونازیت با کربنات سدیم، تری اکسید تنگستن به منظور افزایش هدایتپذیری و مقاومت مکانیکی استفاده نمودند.
اولین سری پیلسوختی اکسید جامد (SOFC) توسط آرچر و همکارانش در سال 1965 تولید شد. توان این پیل 100 وات و الکترولیت آن زیرکونیای پایدار شده توسط کلسیم بود و الکترودها از جنس پلاتین سینتر شده بودند. الکترودهای گران قیمت پلاتین که در ابتدا در این نوع پیلسوختی مورد استفاده قرار میگرفت، با الکترودهایی از جنس سرمیت (مخلوط سرامیک و فلز) نیکل و زیرکونیا جایگزین شدند. الکترودهایی از جنس اکسیدهای فلزی هادی الکتریسته نیز مورد آزمایش و بررسی قرار گرفتند.
در اواخر سال 1950، تحقیقات در زمینه فنآوری اکسید جامد در سازمان مرکز صنعتی در Hague، هلند و اتحادیه شرکتهای ذغال سنگ در پنسیلوانیا و جنرال الکتریک روند پرشتابی را آغاز کرد.
شرکت وستینگهاوس در سال 1962 از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم استفاده نمود. امروزه در حدود 40 شرکت در زمینه پیلسوختی اکسیدجامد به تحقیق و توسعه مشغول هستند.
تاریخچه پیلسوختی پلیمری فنآوری پیلسوختی پلیمری در سال1960در شرکت جنرال الکتریک توسط T. Grubb و L. Niedrach ابداع شد. اولین موفقیت جنرال الکتریک در تولید پیل سوختی پلیمری در اواسط دهه1960 در پی همکاری این شرکت با U.S. Navy’s Bureau of Ship وU.S. Army Signal Corp. به منظور ساخت مولدهای کوچک برق بود. این مولدها با سوخت هیدروژن تولیدی از ترکیب آب و هیدرید لیتیم تغذیه می شود. پیلسوختی تهیه شده کوچک و قابل حمل بود و در آن از کاتالیست گران قیمت پلاتین استفاده شده بود.
تکنولوژی پیلسوختی پلیمری در پروژه جمینی ناسا نیز مورد استفاده قرار گرفت. در برنامههای فضایی Mercury از باطری به عنوان منابع تامین انرژی استفاده شد ولی برای پروژه آپولو نیاز به وسیلهای با طول عمر بیشتر بود. لذا برای این منظور پیلهای سوختی پلیمری ساخت شرکت جنرال الکتریک مورد تست و آزمایش قرار گرفت. ولی مدل های اولیه پیلسوختی پلیمری(PB2) با برخی مشکلات از قبیل نشت اکسیژن از میان غشاء و اثر آلوده کننده ها بر روی عملکرد سل و طول عمر پائین غشاء مواجه شد. از اینرو جنرال الکتریک پیلسوختی خود را مورد باز بینی قرار داد و مدل P3 را تولید کرد و با وجود کارکرد ضعیف آن درGemini5 مورد استفاده قرار گرفت. ناسا در پروازهای فضایی بعدی خود از پیل سوختی قلیایی استفاده نمود.
شرکت جنرال الکتریک فعالیت خود را در دهه 1970 با توسعه فنآوری الکترولیز جهت تجهیزات زیر دریایی با حمایت واحد تولید اکسیژن نیروی دریایی امریکا آغاز نمود. ناوگان انگلیسی Royal در اوایل دهه 1980 این فن آوری را برای ناوگان زیر دریایی خود پذیرفت.
در اوایل دهه1990 سایر گروه ها نیز تحقیقات در این زمینه را آغاز نمودند. آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و دانشگاه A&M روش هایی را جهت کاهش میزان کاتالیست مورد نیاز آزمایش نمودند.
تاریخچه پیلسوختی متانولی پیلسوختی متانولی جدیدترین فنآوری پیلسوختی در دهه اخیر است. در سال 1995 پیشرفتهای قابل توجهی در زمینه فنآوری پیلسوختی متانولی در مقیاس بزرگ در آمریکا آغاز شد.
مطالعات اولیه در JPL (1997)، و در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس(2000) و در دانشگاه ایالتی Penn (2001) انجام شد. درحال حاضر در اغلب مراکز تحقیقاتی و بیشتر شرکتهای پیلسوختی از جمله موتورلا، هیتاچی و توشیبا تحقیق و توسعه برروی پیلسوختی متانولی در حال اجرا میباشد.
پیل سوختی میکروبی در پایان قرن اخیر، ایده استفاده از پیلهای میکروبی در تلاش برای تولید الکتریسیته ارائه شد. به گونهای که M.C. Potter پروفسور گیاهشناسی در دانشگاهDurham، اولین کسی بود که در سال 1911 کار بر روی آن را آغاز نمود. Potter قصد تولید الکتریسیته از E. coli را داشت. در سال 1931، Branet Cohen با ایجاد تعدادی پیلسوختی میکروبی نیمه که به صورت سری به یکدیگر متصل شده بودند و ظرفیت تولید بیش از 35 ولت تنها با 2 میلیآمپر جریان را داشتند. کار وی را ادامه داد. فعالیت بیشتر در این زمینه توسط DelDuca و همکاران صورت گرفت. آنها از هیدروژن تولید شده توسط تخمیر گلوکز با Clostridium butyricum که به عنوان ماده واکنش دهنده در آند پیلسوختی هوایی و هیدروژن قرار داشت، استفاده نمود. متأسفانه با وجود آنکه پیل کار نمود، به دلیل طبیعت ناپایدار تولید هیدروژن از طریق میکروارگانیسمها غیرقابل اطمینان بود. اگرچه این مسئله در ادامه توسط سوزوکی و همکاران در سال 1976 حل شد).
حتی با گذشت زمان از کار سوزوکی جزئیات کمی از چگونگی عملکرد پیلسوختی میکروبی بدست آمد تا اینکه بررسی بیشتر توسط MJ Allen و در ادامه توسط H. Peter Benetto هر دو از King College لندن، صورت گرفت. Bennetto پیلسوختی را به عنوان یک روش برای تولید الکتریسینه برای کشورهای جهان سوم مدنظر قرار داد. او کار خود را در اوایل دهه 1980 شروع و به فهم چگونگی عملکرد پیلهایسوختی کمک شایان توجهی نمود.
هماکنون یافتهها حاکی از آن است که الکتریسیته میتواند مستقیماً از تجزیه مواد آلی در یک پیلسوختی میکروبی تولید شود، اگرچه مکانیسم دقیق فرآیند هنوز باید به درستی مشخص گردد. همانند یک پیلسوختی معمولی، یک MFC نیز دارای محفظه کاتدی و آندی دقیق فرآیند میباشد، بهگونهای که محفظه آندی غیر هوازی از درون به محفظه کاتدی توسط یک غشاء تبادل یونی متصل شده است و مدار به کمک یک سیم خارجی کامل میشود.
ددر ماه می سال 2007، دانشگاه Queen Sland در استرالیا، نمونه آزمایشی MFC خود را به صورت یک پروژه مشترک با شرکت Fosters Brewing، تکمیل نمود. این نمونه آزمایشی، با حجم 10 لیتر، فاضلاب کارخانه تخمیر را به دیاکسیدکربن، آب تمیز و الکتریسیته تبدیل مینمود. با انجام موفقیتآمیز این نمونه آزمایشی، طرحهایی برای تولید پیاپی 660 گالنی ریخته شد تا میزان تقریبی 2 کیلووات انرژی را تأمین نماید. اگرچه مقدار انرژی تولیدی قابل چشمپوشی است، تولید آب تمیز برای استرالیا از درجه اهمیت بالاتری برخوردار بود.
طبقه بندی رایج پیلهای سوختی بر اساس نوع الکترولیت آنها می باشد که عبارتست از :
(PEMFC ) پیل سوختی پلیمری
(AFC ) پیل سوختی قلیایی
(PAFC) پیل سوختی اسید فسفریک
(MCFC) پیل سوختی کربنات مذاب
(SOFC) پیل سوختی اکسید جامد
(DMFC) پیل سوختی متانولی
خلاصه ای از خصوصیات هر کدام از انواع پیلهای سوختی و جدول خصوصیات آنها بشرح ذیل می باشد:
1. پیلسوختیغشاءپروتون(PEMFC ) پیلهای سوختی غشاء پروتون دارای غشاء پلیمری جامد هستند که در حال حاضر عمدتًا غشاء Nafion دراین پیل سوختی بکار برده م ی شود و به شکل یکورقه باریک منعطف است. این غشاء کوچک و سبک بوده و در دمای پایین کار می کند )دمای کارکرد بهینه در حدود ٨٥ درجه سانتیگراد است. ( سایرالکترولیتهای جامد در دمای بالا کار می کنند. شکل زیر یک الکترولیت غشاء پروتون را به ما نشان می دهد.
برای سرعت بخشیدن به واکنش، یک کاتالیست پلوتونیومی در دو سطح غشاء الکترولیت استفاده می شود که این کاتالیست موجب افزایش قیمت پیلسوختی م ی شود؛ اما بدلیل جامد بودن الکترولیت پیل سوختی وهمچنین انعطاف پذیر بودن این الکترولیت، امکان شکستن یا ترک خوردن در آن کم است و اینمشخصه ،پیل سوختیPEMرا برای کاربردهای خانگی و کاربردهای حمل و نقلی مناسب می کند. در پیل سوختی نوعPEMاتمهای هیدروژن در آند یونیزه می شوند و الکترونهای آنها جدا می شود. یونهای هیدروژن که شامل بار مثبت هستند، به سطح غشاءخلل دار نفوذ می کند و بسمت کاتد می روند؛ الکترونهای جدا شده نمی توانند از این غشاء عبور کنند و از یک مدار خارجی عبور می کنند و موجب تولید برق می شوند. در کاتد الکترونها، پروتونهای هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب می شوند و آب را تشکیل می دهند. پیل سوختی PEM نیازمند هیدروژنخالص است؛ بنابراین باید از یک رفورمر در خارج از پیل سوختی استفاده کنیم تا احتمال بوجود آمدن CO و در نتیجه مسمومیت کاتالیست را کاهش دهیم واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بشرح ذیل است :
مزایا:
دمای پایین و شروع بکار سریع
عدم حساسیت به دی اکسیدکربن
امکان استفاده از گازهای مشتق از هیدروکربن بعنوان سوخت
معایب:
حساسیت به مونواکسید کربن
بکارگیری فلزات کمیاب در ساختمان پیل
پیچیده بودن سیستم مدیریت آب در مجموعه غشاء و الکترود
2. پیلسوختیقلیایی(AFC) پیل سوختی قلیایی با هیدروژن و اکسیژن خالص کار می کند و از محلول هیدروکسید پتاسیم در آب بعنوان الکترولیت استفاده می کنند و الکترود آند آن از جنسنیکل و الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکل لیتیمی شده می باشد. درجه حرارت کارکرد این پیل پایین بوده و بین ٦٠ تا ٨٠ درجه سانتیگراد می باشد. در این پیل سوختی یونهای هیدروکسیل OH− از سمت کاتد به آند رفته و در آند گاز هیدروژن با یونهای هیدروکسیل واکنش داده و آب و الکترون را ایجاد می کند.الکترونهای بوجود آمده در آند توسط یک مدارخارجی، توان الکتریکی تولید می کند و از طریق این مدار خارجی، الکترونها به کاتد باز می گردد . الکترونها در کاتد بااکسیژن و آب واکنش م ی دهند و موجب تشکیل یونهای هیدروکسیل بیشتری می شوند. این یونهادرون الکترولیت نفوذ کرده و واکنش ادامه پیدا می کند.
مزایا:
عدم نیاز به فلزات کمیاب
بالا بودن راندمان
معایب:
حساسیت شدید به دی اکسید کربن
لزوم استفاده از هیدروژن خالص
پیل سوختی قلیایی از میزان آلودگی کمی برخوردار است و بخاطر احتمال واکنشهای ناخواسته در این پیل نیاز به هیدروژن خالص شده داریم و در صورتی کههیدروژن خالص نباشد موجب واکنشهای شیمیایی اضافی و ایجاد کربنات جامد می شود که این ماده در واکنشهای پیل سوختی اختلال ایجاد می کند. مشکل دیگر پیل سوختی قلیایی میزان زیاد پلوتونیم است که بعنوان کاتالیست از آن استفاده می شود. این کاتالیست قیمت زیادی دارد و پیل سوختی قلیایی را برایکاربردهای عادی نامناسب می کند و از آنجایی که احتمال نشت الکترولیت مایع نیز ممکن است؛ بنابراین برای کاربردهای حمل و نقلی مناسب نیست . عملکردیک پیل سوختی قلیایی را در شکل می بینید.
عملکرد یک پیل سوختی قلیایی
3. پیلسوختیاسیدفسفریک(PAFC) پیل سوختی اسید فسفریک در دمای حدود ١٥٠ تا ٢٠٠ درجه سانتیگراد کار می کند و از الکترولیت اسید فسفریک استفاده می کند و الک ترودهای پیلهایسوختی اسید فسفریک از جنس پلاتین می باشد که بر روی سطح پودر کربن فعال نشانده شده است . در این نوع پیل سوختی از سوختهای بیشتری میتوان استفاده کرد . عملکرد پیل سوختی اسید فسفریک به این ترتیب است که یونهای هیدروژن مثبت توسط الکترود از آند به کاتد می روند و الکترونهای بوجود آمده در آند از طریقیک مدار خارجی عبور می کند و برق تولید می کند و به کاتد برمی گردد. واکنشهای انجام شده در این پیل عبارتست از:
مزایا:
توان تحمل ١ تا ٢ درصد مونواکسید کربن
امکان استفاده در مولدهای )تولید همزمان برق و حرارت(
ثبات الکترولیت در محیط الکتروشیمیایی
سادگی سیستم مدیریت آب و دما
معایب:
کم بودن سرعت احیاء اکسیژن
H[SUB]2[/SUB]Sحساسیت به
عملکرد یک پیل سوختی اسیدفسفریک
در کاتد الکترونها، یونهای هیدروژن و اکسیژن آب بوجود می آورند که با فشار به بیرون پیل سوختی هدایت می شود. با وجود کاتالیست پلوتنیم سرعت واکنشهابالا می رود.از مزایای پیل سوختی اسید فسفریک می توان به توان تحمل پیل سوختی در قبال میزان کمی از مونوکسید کربن و همین طور توانایی تحمل دمایبالای دمای جوش آب را دارد . این پیل سوختی اجزایی با مقاومت بالا باید داشته باشد تا در مقابل خورندگی اسید مقاومت کند. هیدروژن مورد نیاز برای PAFCمی تواند یک Reformer خارجی از یک سوخت هیدروکربنی بوجود بیاید در صورتی که سوخت مورد نظر گازوئیل باشد، سولفور آن باید جدا شود . زیرا سولفور بهکاتالیست الکترودها صدمه می زند. می توان از گرمای بوجود آمده درPAFC ها در کاربرد ترکیبی گرما و برق استفاده کرد. عملکرد یک پیل سوختی اسیدفسفریک را در شکل می بینید.
4. پیلسوختیکربناتمذاب(MCFC) در پیل سوختی کربنات مذاب(MCFC)الکترولیت ترکیب ٣٢ % درصد کربنات پتاسیم و ٦٨ % درصد کربنات لیتیم می باشد. الکترود کاتد آن از جنس اکسید نیکللیتیمی شده و الکترود آند از جنس آلیاژ نیکل کروم(٢ تا ١٠ درصد کروم ) است. درجه حرارت کارکرد ٦٥٠ درجه سانتیگراد و جزء پیلهای سوختی با دمای کارکردبالا بشمار می آید. در آند، هیدروژن با این یونها واکنش می دهد و دی اکسیدکربن، آب و الکترون تشکیل می دهد. الکترونها توسط یک مدار خارجی از آند به کاتدمنتقل می شود و برق تولید می کند. اکسیژن هوا، دی اکسیدکربن بازیافت شده از آند با الکترونها واکنش داده و یونهای CO3[SUP]2[/SUP][SUP]−[/SUP] را بوجود می آورد والکترولیت راسرشار از یونها CO3[SUP]2[/SUP]- می کند.
مزایا:
امکان بکارگیری در مولدهای دو منظوره
عدم استفاده از کاتالیست گران قیمت
راندمان بالا
معایب:
حساسیت زیاد به سولفور
حل شدن اکسید نیکل
احتیاج به چرخه دی اکسید کربن
پیل سوختی کربنات مذاب، (MCFC) دما بالا می توانند هیدروژن را از سوختهای مختلف توسط رفورمرداخلی یا خارجی استخراج کند؛ بعلاوه حساسیت کمترینسبت به مسمومیت مونوکسیدکربن دارند. MCFC ها با کاتالیستهای نیکلی بسیار خوب کار می کنند و کاتالیستهای نیکلی ارزانتر،پلوتینم هستند . از گرمای خروجی پیل سوختی می توان برای کارهای صنعتی استفاده نمود.
عملکرد پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی کربنات در مقا یسه با پیل سوختی اکسید جامد دارای دو مشکل است؛ یکی از این مشکلات پیچیدگی کار با الکترولیت مایع است و دومین مشکلباقیمانده های واکنش شیمیایی در پیل سوختی کربنات مذاب است . یونهای کربنات الکترولیت در واکنشهای آند استفاده می شوند؛ بنابراین نیاز داریم کهتوسط تزریق دی اکسید کربن در کاتد، این مقدار را جبران کنیم.
5. پیلسوختیاکسیدجامد(SOFC) پیل سوختی اکسید جامد(SOFC) از یک الکترولیت سرامیکی ( ترکیبی از زیرکنا(Zr) و ایتریا (Y) با فرمول.Zr0.92Y0.08O[SUB]1.96[/SUB] می باشد)بجای یک الکترولیت مایعاستفاده می کند. الکترود آند ملغمه ای از نیکل وزیرکنیا و الکترود کاتد از جنس منگنیت لانتانیم است . درجه حرارت کارکرد پیل ٧٠٠ الی ١٠٠٠ درجه سانتیگرادمی باشد. الکترولیت جامد با الکترودها که از مواد متخلخل مخصوصی تشکیل شده اند، پوشانده شده اند . در دمای بالای عملکرد پیل سوختیSOFC، یونهایاکسیژن)با بارمنفی ( از شبکه کریستالی عبور می کند . وقتی یک سوخت گازی حاوی هیدروژن از آند عبور کند، یک جریان شارژ شده منفی شامل یونهای اکسیژن از الکترولیت عبور می کند تا سوخت را اکسید کنند . اکسیژن ذخیره شده در کاتد معمولا ً از هواگرفته می شود. الکترونهای ایجاد شده در آند از یک بارخارجی (مدار خارجی ) عبور کرده و به کاتد می رود. با این کار یک مدار الکترویکی کامل می شود و انرژی برق تولید می شود. پیلهای سوختی نوع اکسید جامدSOFC نیاز به رفورمر خارجی ندارند. عملکرد کلی پیلسوختی اکسید جامد را می توان در شکل زیر دید
عملکرد پیل سوختی اکسید جامد
واکنشهای انجام شده در آند و کاتد بصورت زیر می باشد:
مزایا:
عدم حساسیت به مونواکسیدکربن
قابلیت مصرف سوختهای گوناگون
عدم نیاز به هیدروژن خالص
بالا بودن راندمان سیستم
عدم نیاز به سوخت مجزا
امکان استفاده مستقیم از گاز طبیعی بعنوان سوخت
قابل استفاده در مولدهای دو منظوره
عدم استفاده از الکترولیت مایع
عدم استفاده از فلزات گران قیمت و کمیاب در ساخت
معایب:
طولانی بودن زمان شروع به کار
تشدید خوردگی و خرابی اجزاء بعلت کارکرد در دمای بالا
گران قیمت بودن بعضی از اجزاء
6. پیل سوختی متانولی (DMFC) پیل سوختی متانولی در حقیقت یک پیل سوختی پلیمری است که قادر است متانول مایع را مستقیمًا بعنوان سوخت مصرف کند ؛ از اینرو الکترولیت آن مانند پیلسوختی پلیمری غشاء پلیمری (عمدتًا (Nafion می باشد . الکترود آند از جنس آلیاژ پلاتین روتینیوم (Pt-Ru) و الکترود کاتد آن از جنس پلاتین است . این پیلسوختی در محدوده وسیعی از درجه حرارت کار می کند و دمای کارکرد آن بین٦٠ تا ١٢٠ درجه سانتیگراداست. واکنشهای انجام شده در الکترودهای این پیلسوختی عبارتند از:
مزایا:
قابلیت استفاده از متانول مایع بعنوان سوخت
چگالی قدرت بالا
دما و فشار عملکردی پایین
سادگی ساختار و مدیریت حرارت پیل
ضریب اطمینان بالای سیستم
حذف سیستم مبدل سوخت
حذف سیستم پیچیده مدیریت آب و حرارت(بعلت همراه بودن سوخت با آب)
کاهش قابل ملاحظه وزن وحجم
معایب:
عبور متانول از غشاء و در نتیجه افت ولتاژ کلی پیل و به هدر رفتن سوخت
پایین بودن عملکرد در مقایسه با دیگر پیلها
استفاده از پلاتین در ساختار پیل
پایین بودن فعالیت کاتالیست Pt-Ru در آند
در جدول زیر انواع پیلهای سوختی با خصوصیات مورد نظر آنها به منظور مقایسه آورده شده است:
با توجه به مزایای این فنآوری، طرح استفاده از اتوبوس پیل سوختی، با حمایت سازمان ملل در بسیاری ازکشورها نظیر چین، هند، برزیل، مصر و مکزیک در دست مطالعه یا اجراست و سرمایه گذاری عظیمی درجهت تحقیق و توسعه بر روی آن انجام گرفته و می گیرد. با مقایسه انواع فناوریها نظیر اتوبوس پیل سوختی،اتوبوس گازسوزCNG) و LNG ) و اتوبوس برقی، طرح اتوبوس پیل سوختی در کشورهای مختلف به لحاظ افزایش بازده، کاهش مصرف سوخت و کاهش هزینه تعمیرات ونگهد اری، بعنوان برترین گزینه انتخاب گردیده است.
به منظور تحقیق و توسعه در زمینه خودروهای با نیروی محرکه پیل سوختی، خودروسازان بزرگ دنیا اقدام به سرمایه گذاریهای کلان وتدوین برنامه های درازمدت و عقد قرارداد همکاری با یکدیگر نموده اند . بعنوان نمونه شرکت دایملر کرایسلر بمنظور توسعه خودروهای پیل سوختی باشرکتBallard قرارداد همکاری بسته است در این همکاری مشترک، پیل سوختی مورد نیاز این شرکت را Ballard تامین می کند.دایملر بنز(دایملر کرایسلر فعلی ) از سال ١٩٩٤ تستهای جاده ای خود را بر روی نسل اول خودروهای با نیروی محرکه پیل سوختی آغاز کرده و تاکنون پنج نسل از خودروهای پیل سوختی را با انواع توانها آزمایش کرده است. .این خودروها تحت عنوان کلیNECAR معرفی شده اند طبق گفته مدیریت این شرکت، اولین نمونه تولید انبوه خودروی پیل سوختی برای عرضه به بازار در سال ٢٠٠٤ میلادی آماده خواهد شد و در این راستا تاکنون بیش از یک میلیارد دلار سرمایه گذاری شده و این شرکت اولین شرکتی خواهد بود که خودروی پیل سوختی را به بازار میفرستد.
حجم فعالیت و سرمایه گذاری کلان در کشورهای صنعتی بر توسعه صنعت پیل سوختی، وضع قوانین سخت زیست محیطی،تخصیص یار انه برای انرژیهای نو و سرعت بخشیدن به ایجاد زیرساختهای سوخت هیدروژن و متانول، پایان پذیری منابع نفتی، افزایش دمای کره زمین و رشد جمعیت همگی دال برحتمی بودن جایگزینی فناوری پیل سوختی و کاهش گرایش بسمت موتورهای درون سوز است . بسیاری ازسازندگان نیروگاهها، سیستم پیل سوختی را جهت نصب در نیروگاههای آینده برنامه ریزی کرده اند پیل سوختی در آینده نزدیک منبع تأمین نیرو برای مناطق حساسی نظیر بانکها، مراکز معاملات سهام، بیمارستانها و مراکز سیستمهای کامپیوتری خواهد بود و بعنوان پشتیبان برای شبکه های محلی بکار برده خواهد شد .
می توان گفت که فناوری پیل سوختی در آینده ای نه چندان دور سه بخش حمل و نقل، نیروگاهها و مولدهای قابل حمل )جانشین باتری ( را متحول خواهد نمود و متناسب با آن شرکتهای نفتی را بمنظور تأمین سوخت مورد نیاز آن به تحرک وادار خواهد کرد.
طی چند سال گذشته سرمایه گذاریهای بزرگی در زمینه توسعه خودروهای پیل سوختی در کشورهای مختلف صنعتی صورت گرفته است . تاکنون بیش از ٢ میلیارد دلار صرف توسعه و تجاری شدن خودروی پیل سوختی گردیده است . امروزه، موسسات بزرگ صنعتی و شرکتهای کوچک دارای فن آوریهای بالا سعی در بهینه سازی کارآیی این سیستم و کاهش قیمتها دارند . تحقق این امر نیاز به زمان دارد و انتظار می رود این فن آوری بتواند به اهداف اقتصادی لازم برای موفقیت تجاری دست یابد . توانمندیهای پیل سوختی بعنوان یک منبع انرژی قابل اطمینان و هیدروژن بعنوان سوختی که می توان آن را از منابع تجد یدپذیر یا تجدید ناپذیر بدست آورد، سبب شده تا پیل سوختی از ارزش استراتژیک فوق العاده برخوردار گردد.
رقابت بین المللی شدیدی در زمینه پیل سوختی ایجاد شده است . شرکتهای آلمانی،آمریکایی و ژاپنی در حال آزمایش خودروهای پیل سوختی هستند و پتانسیل سرمایه گذاری بسیار موفقی در پیش رو است . کشوری که قادر به طراحی و تولید صنعتی فن آوری پیل سوختی باشد، دانش فنی مولدهای انرژی نسل بعد را در دست خواهد داشت .اخیرا سیاستمداران ومقامات کشورهای مختلف از این فناوری، استقبال چشمگیری نموده اند .در اواسط سال ٢٠٠٠ میلادی، کلینتون )رئیس جمهور وقت آمریکا ( حمایت جدی دولت آمریکا را ازفناوری پیل سوختی بعنوان یک راه حل نیرومند و قابل اطمینان برای حل مشکل انرژی، معضل افزایش قیمت سوخت و پایان پذیری منابع انرژی فسیلی اعلام نمود . وی همچنین فناوری پیل سوختی را فرصت سیاسی مناسبی برای فائق آمدن بر چالشهای زیست محیطی، آلودگی هوا وهمچنین پدیده گازهای گلخانه ای دانست. از سیاستمداران دیگری که به جمع حامیان فناوری پیل سوختی و عصر هیدروژن پیوسته اند،می توان به فیشر، وزیر خارجه اسبق آلمان و مولر وزیر اقتصاد آلمان اشاره نمود.
پیلهای سوختی نه تنها در آینده نزدیک در حد تجاری باموتورهای احتراق داخلی رقابت خواهند کرد، بلکه این فن آوری در بسیاری از موارد نظیر ماهواره ها، کلیه سیستمهای حمل و نقل و نیروگاهها کاربرد دارد.
در جدول زیر سهم کشورهای جهان در نیروگاههای پیل سوختی نشان داده می شود. همچنین نمودار تعداد ظرفیت های نصب شده در جهان و نمودار سهم انواع پیل سوختی در این نیروگاهها نشان داده می شود .
وضعیت فناوری پیل سوختی در ایران
کشور ایران از یک سو با پایان پذیری منابع نفتی و بالا بودن مصرف سرانه سوخت و از سوی دیگر با عقب ماندگی فناوری صنایع خودرو و صنایع نیروگاهی روبروست؛ از طرف دیگر عدم توجه به مساله آلودگی هواموجب شده است تا در شهری مانند تهران که بعنوان دومین شهر آلوده دنیا مطرح شده، سهم وسایل حمل و نقل با مصرف روزانه5/٧ میلیون لیتر بنزین و حدود ٥ / ١ میلیون لیتر گازوئیل، بیش از ٧٠ % کل آلودگی هوا باشد؛ از اینرو توسعه فناوری پیل سوختی راه حل نهایی این مشکلات ارزیابی میگردد.
به جهت اهمیت مسائل آلودگی هوای شهری ناشی از سیستمهای حمل ونقل، موضوع استفاده از حمل ونقل برقی بسیار مورد توجه شرکتهای خودروساز داخلی قرار گرفته است . بر این اساس مراکز تحقیقاتی وعلمی کشور نظیر سازمان انرژیهای نو ایران(در زمینه طراحی و نمونه سازی یک نوع پیل سوختی )، مرکزتحقیقات ایران خودرو)برقی نمودن خودروهای بنزینی (، طرح خودرو وزارت صنایع )تحقیقات کاربردی (،دفتر همکاریهای فناوری ریاست جمهوری(ساخت نمونه پیل سوختی)، سازمان گسترش و نوسازی صنایع ایران، پژوهشکده سبز دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشگاه صنعتی اصفهان و دانشگاه صنعتی شریف ومراکز تحقیقاتی بخش خصوصی مانند مرکز تحقیقات دانا، مرکز تحقیقات ایران خودرو و شرکت فناوری هیدروژن هزاره سوم، پروژه های مختلفی در زمینه انواع نیروی محرکه مورد نیاز خودروهای برقی، خصوصًا پیلهای سوختی آغاز نموده اند.
به منظور آگاهی از تحولات دنیا و آشنایی ملموس تر با سیستمهای پیلهای سوختی ، خرید ، نصب و بهره برداری از چند نمونه از سیستم های مختلف پیل سوختی از اقدامات کوتاه مدت 5 سال اول سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی ( مصوبه تیرماه هیات محترم دولت)می باشد.در همین راستا در سالهای اخیر چند نمونه آزمایشگاهی کوچک پیل سوختی توسط سازمان انرژی های نو ایران و دیگر مراکزتحقیقاتی و دانشگاهی کشور تهیه شده بود . در سال جاری نیز سازمان انرژی های نو ایران اقدام به تهیه سیستم پیل سوختی 25 کیلووات پلیمری کرد .
با تهیه ، نصب و راه اندازی این سیستم در کشورمان علاوه بر امکان دستیابی به اهداف مهمی همچون تأمین الکتریسیته و حرارت ، استفاده به عنوان جزئی از طرح جامع ، فراهم نمودن امکان بازدید با اهداف آموزشی ، ترویج و آگاه سازی و ثبت اطلاعات از شاخص های فنی،از مهم ترین دستاوردهای این پروژه می توان به استفاده از تجربیات راهاندازی و نصب پیلسوختی و تجهیزات مورد نیاز آن که بدون استفاده از کارشناسان خارجی و به طور کامل در کشور توسط کارشناسان داخلی با تکیه بر دانش ، توانمندی و خلاقیت نیروهای متخصص کشورمان به انجام رسید اشاره کرد .
تشکیل کمیته راهبری پیل سوختی و سند ملی توسعه پیل سوختی
در دیماه 1380 با پیگیری وزارت نیرو و دفتر همکاریهای فناوریهای ریاست جمهوری، میز گرد تعیین راهکار های تحقیق و توسعه فناوری پیل سوختی در کشور برگزار گردید . بر اساس نتایج این میزگرد ضرورت ایجاد اجماع مابین فعالان این حوزه در کشور و تشکیل کمیته راهبری پیل سوختی مورد تایید قرار گرفت . بنابراین به طور خلاصه می توان گفت که به دلایل زیر کمیته راهبری پیل سوختی تشکیل شد :
بررسی اهمیت فناوری پیل سوختی در کشور و تعیین نحوه برخورد کشور با آن
تعیین اولویتهای تحقیقاتی ،پژوهشی و اجرایی در حوزه فناوریهای پیل سوختی
جلوگیری از فعالیتهای موازی و ارائه اهداف کمی و کیفی مشخص در این خصوص
تعیین راهکارهای اجرایی توسعه پیل سوختی در کشور
اعضاء کمیته راهبری پیل سوختی عبارتند از :وزارت نیرو ،دفتر همکاریهای فناوری ریاست جمهوری،وزارت صنایع ومعادن ،وزارت علوم ،تحقیقات و فناوری ،وزارت نفت، سازمان مدیریت و برنامه ریزی ،سازمان حفاظت محیط زیست ، نمایندگان بخش خصوصی (ایران خودرو،سایپا و ......)و مشاورین و خبرگان هدف این کمیته مطالعات تحلیل جذابیت فناوری پیل سوختی و تدوین استراتژی توسعه آن در کشور بود که در 3 مرحله برنامه ریزی شد
مرحله اول: مطالعات جذابیت پیل سوختی برای کشور (ارزیابی جذابیت پیل سوختی)
مرحله دوم : تدوین استراتژی توسعه تکنولوژی پیل سوختی در کشور .در این مرحله لازم است که دو مسئله مشخص شود :
تعیین اولویتهای سرمایه گذاری در حوزه پیل سوختی
تعیین روش اکتساب تکنولوژیهای منتخب (استراتژیک)
مرحله سوم : ارائه راهکارهای پیاده سازی جهت تحقق استراتژیها ، برای این منظور لازم است که تعیین شود که گامهای پیاده سازی توسعه تکنولوژی پیل سوختی چیست ثانیا" نقش دولت ،مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی و صنعت چیست .برای هریک از این مراحل متدولوژیهای خاص درنظر گرفته شد بطوریکه بتوان به نتایج مطلوب که راهگشای توسعه این فناوری در عرصه فنی و اقتصادی در کشورمی باشد، دست یافت .ولی آنچه که بنظر می رسد از اقدامات ضروری برای توسعه فناوری پیل سوختی در کشور می باشد و از اولین گامها است عبارتند از :
تصویب سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی کشور در هیات دولت
تشکیل ستاد توسعه فناوری پیل سوختی
تخصیص منابع مالی لازم برای اجرای سند بر اساس پیش بینی صورت گرفته در برنامه ریزی عملیاتی
تعیین و انتخاب فناوری پیل سوختی به عنوان یکی از فناوریهای کلیدی کشور در بخش انرژی شورای عالی علوم و تحقیقات و فناوری
اولین گام تصویب سند راهبرد ملی توسعه فناوری پیل سوختی کشور بود که پس از طرح و بررسی در کمیسیون زیربنایی هیات دولت در تاریخ 3/4/86 در هیات محترم دولت نهم، طرح و به تصویب رسید.فهرست مفاد این سند عبارت بود از :
مقدمه و چشم انداز سند
اهداف کلان
سیاستهای کلان
راهبردها
اقدامات
ترتیبات اجرایی و شرح وظایف ارکان اجرایی
برای توضیح بهتر هر یک از بندهای این مفاد می توان به فایل pdf این سند مراجعه کرد .