تاپیک انواع منابع انرژی نو

[ریپورتر]

از میلاد می‌رسد. این پیلها دارای بدنهٔ بیرونی از جنس ارتن ور بوده که حاوی میله‌ای آهنی است و به وسیلهٔ بخشی از بدنهٔ مسی (میلهٔ آهنی درون استوانهٔ مسی) ایزوله شده است. زمانی که درون محفظه با محلولی الکترولیت مانند آبلیمو پر شود، این وسیله جریان الکتریکی خفیفی تولید می‌کند. این احتمال وجود دارد که این وسیله برای آبکاری جواهر به کار می‌رفته است.
سند دیگری که دال بر اختراع پیلهای الکتریکی توسط اشکانیان است توسط باستان شناس آلمانی ویلهلم کونیگ به دست آمد. وی که در سال ۱۹۳۸ ادارهٔ موزه بغداد را به عهده داشت، در زیر زمین این موزه به جعبه‌ای برخورد که اشیای عجیبی در خود داشت. او پس از تحقیقاتی به این نتیجه رسید که این وسیله شبیه یک باتری مدرن است. او در مقاله‌ای این مطلب را منتشر کرد و از این وسیله با عنوان باتری باستانی یاد کرد که برای آبکاری و انتقال لایه‌ای از طلا یا نقره از سطحی به سطح دیگر به کار می‌رفته است.
این تئوری بعدها توسط دانشمندان دیگری به بوته آزمایش سپرده شد. ویلارد گری، مهندس برق شرکت جنرال الکتریک در ایالت ماساچوست، پس از مطالعهٔ مقالهٔ کونیگ تصمیم گرفت باتری بغداد را بازسازی کند. وی درون کوزهٔ سفالین را با آب انگور، سرکه یا محلول سولفات مس پر کرد و موفق به تولید ولتاژ حدود ۱٫۵ تا ۲ ولت شد. بعدها دکتر اگبرشت، مصر شناس مشهور در سال ۱۹۷۸ نمونه‌ای از باتریهای بغداد را بازسازی کرد و آن را با آب انگور پر نمود و توانست ولتاژ ۰٫۸۷ ولت تولید کند. وی از این پیلها برای طلاکاری یک پیکرهٔ نقره‌ای استفاده کرد.
تاریخچه پیل‎های سوختی
تاریخچه این پیل‎ها به دو دوره متمایز تقسیم می‎شود : دوره اول که حدود صد سال طول کشید ، از سال ۱۸۳۹ با ساخت اولین پیل سوختی با الکترولیت اسید سولفوریک توسط آقای گرو آغاز گردید. با تلاش دانشمندان بزرگی مانند جکس، هابر، مون و همکاران و شاگردان آنها منجر به درک علمی از پیل سوختی و شنا‎‎‎‎‎‎خت تنگناهای این فن‎آوری تا سال ۱۹۴۰ گردید.دوره دوم از سال ۱۹۴۰ آغاز می‎شود که بین سالهای ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ نمونه‎های تحقیقاتی متعددی از پیل‎های سوختی توسط شرکت‎های بزرگی مانند جنرال الکتریک با ظرفیت۰۲/۰ وات الی ۱۵ وات ساخته شد. اما هنوز این ظرفیت برای کاربردهای فنی و صنعتی مورد نظر، کافی و قابل قبول نبود. تا اینکه درسال ۱۹۶۵ یک واحد پیل سوختی با ظرفیت یک کیلو‎‎‎وات توسط شرکت جنرال الکتریک به منظور استفاده در ماهواره گمینی۵ ،ساخته شد و توجه

[ریپورتر]

دانشمندان را به خود جلب نمود. این پیل سوختی با ولتاژ ۲۵ ولت و شدت جریان خروجیA ۴۰ آمپر توانست در طول ۷ پرتاب ماهوارة گمینی ۵، انرژی برابر با ۵۱۹ کیلووات ساعت طی بیش از ۸۴۰ ساعت پرواز را تامین کند. بدین ترتیب معلوم گردید که پیل‎های سوختی می‎توانند برای بسیاری از مقاصد هوا - فضا مناسب بوده و انرژی مورد نیاز آنها را به صورت پیوسته و پایدار تامین کنند. این امر موجب گردید تا در سراسر جهان روی توسعة دانش فنی و تکنولوژی ساخت پیل‎های سوختی سرمایه‎‎گذاری‎های بزرگی صورت گیرد. امروزه نیز تحقیقات وسیعی در جهت ارتقاء ظرفیت ، کاهش هزینه‎های ساخت و بهره ‎‎بر‎داری و توسعة ویژگی‎های کاربردی پیل‎های سوختی در جریان می‎باشد. برق خروجی از پیل‎های سوختی جریان مستقیم (DC) است. بنابراین برای مصرف ‎‎کننده‎های جریان متناوب از مبدل‎های DC به AC استفاده می‎کنند. از پیل‎های سوختی می‎توان برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز در مناطقی که دور از شبکه‎های سراسری انتقال و توزیع برق هستند و نیز در ایستگاه‎های ماهواره‎ای و مخابراتی وغیره نیز به طور رضایت‌بخشی استفاده 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، برگشت ‌پذیر 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، ذخیره سازی، عرضه و انتقال هیدروژن نیز از اجزاء اصلی ساختار انرژی این عصر خواهند بود.
امروز اقتصادی ترین روش تولید هیدروژن استفاده از گاز طبیعی است. چون تنها خروجی آنها آب خالص است در صورتی که از متانول به عنوان سوخت استفاده شود، آلاینده های خروجی مقدار بسیار

[ریپورتر]

ناچیزی منواکسید کربن و اکسید های نیتروژن هستند که در حین تبدیل سوخت حاصل می شود. بازده ییل های سوختی حدود سه برابر موتور های احتراق داخلی است ( بازدهی پیل سوختی 40 تا 60 درصد است) پیل های سوختی دارای قسمتی یا قسمت های متحرک نیستند، بنابراین به تعمیر یا تعویض قطعات احتیاج ندارد.صدای ناشی از کار پیل های سوختی بسیار کمتر از صدای موتور خودروهای احتراق داخلی است و احتمال انتقال پیل سوختی از یک خودرو از کار افتاده به خودرو دیگر وجود دارد.

امروزه گاز هيدروژن براي استفاده در موتورهاي احتراقي و وسايل نقليه الكتريكي باتري‌دار مورد بررسي قرار گرفته است. هيدروژن در دما و فشار طبيعي، يك گاز است و به اين علت، انتقال و ذخيره آن از سوخت هاي مايع ديگر، دشوارتر است. سامانه ‌هايي كه براي ذخيره هيدروژن توسعه يافته‌اند، عبارتند از:
هيدروژن فشرده، هيدروژن مايع و پيوند شيميايي ميان هيدروژن و يك ماده ذخيره (براي مثال، هيدريد فلزات).
با اين كه تاكنون هيچ سامانه حمل و نقل و توزيع مناسبي براي هيدروژن وجود نداشته، اما توانايي توليد اين سوخت از مجموعه متنوعي از منابع و خصوصيت پاك سوز بودن آن، هيدروژن را به سوخت جانشين مناسبي تبديل كرده است.
هيدروژن يکي از ساده‌ترين و سبك‌ترين سوخت هاي گازي است که در فشار اتمسفري و دماي جوي حالت گاز دارد. سوخت هيدروژن همان گاز خالص هيدروژن نيست، بلكه مقدار كمي اكسيژن و ديگر مواد را نيز با خود دارد. منابع توليد سوخت هيدروژن شامل گاز طبيعي ، زغال سنگ ، بنزين و الكل متيليك هستند. فرآيند فتوسنتز در باكتري ها يا جلبك ها و يا شكافتن آب به دو عنصر هيدروژن و اكسيژن به كمك جريان الكتريسيته يا نور مستقيم خورشيد از آب، روش هاي ديگري براي توليد هيدروژن هستند.
در صنعت و آزمايشگاه هاي شيمي، توليد هيدروژن به طور معمول با استفاده از دو روش شدني است:

1- الكتروليز
2- توليد گاز مصنوعي از بازسازي بخار يا اكسيداسيون ناقص
در روش الكتروليز با استفاده از انرژي الكتريكي، مولكول‌هاي آب به هيدروژن و اكسيژن تجزيه مي‌شوند. انرژي الكتريكي را مي‌توان از هر منبع توليد الكتريسيته كه شامل سوخت هاي تجديد پذير نيز مي‌شوند، به دست آورد. وزارت نيروي آمريكا به اين نتيجه رسيده است كه استفاده از روش الكتروليز براي توليد مقادير زياد هيدروژن در آينده مناسب نخواهد بود.
روش ديگر براي توليد گاز مصنوعي، بازسازي بخار گاز طبيعي است. در اين روش، مي‌توان از

[ریپورتر]

هيدروكربن‌هاي ديگر نيز به عنوان ذخاير تامين مواد استفاده كرد. براي نمونه، مي‌توان زغال سنگ و ديگر مواد آلي (بيوماس) را به حالت گازي درآورد و آن را در فرآيند بازسازي بخار براي توليد هيدروژن به كار برد. از طرفي چون هيدروکربن هاي فسيلي محدود و رو به اتمام هستند، پس بهتر است ديد خود را به سمت استفاده از منابع تجديد شونده معطوف کنيم.
گاز هيدروژن مي تواند هم از منابع اوليه تجديد پذير و هم از منابع تجديد ناپذير توليد شود. امروزه توليد گاز هيدروژن از منابع تجديد پذير به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را مي پيمايد. اين در حالي است که توليد گاز هيدروژن از منابع تجديد ناپذير به ويژه منابع فسيلي به علت محدود بودن اين منابع روز به روز کاهش مي يابد.
گاز هيدروژن در اثر واکنش هاي تخميري ميکروارگانيسم هاي زنده، به ويژه باکتري ها و مخمرها روي بيوماس، توليد مي‌شود. بيوماس از منابع اوليه تجديد پذير است که از موادي مانند علوفه، ضايعات گياهان و فضولات حيوانات به دست مي آيد. در روند توليد گاز هيدروژن، باکتري هاي بي هوازي با استفاده از پديده تخمير، مواد آلي و آب را به گاز هيدروژن تبديل مي کنند.

براي توليد هيدروژن به وسيله باکتري ها دو نوع تخمير وجود دارد: يک نوع تخمير نوري است که در آن به منبع نور نياز است و نوع ديگر، تخمير در تاريکي است که نيازي به نور ندارد. در اين واکنش ها منابع کربني زيادي استفاده مي شود که همگي از بيوماس تامين مي شوند.
در طبيعت ميکروارگانيسم هاي بي هوازي در غياب اکسيژن و با استفاده از پديده تخمير، گاز هيدروژن توليد مي کنند، ولي مقدار اين گاز از نظر کمي پايين است و از نظر اقتصادي براي مصارف صنعتي و خانگي و ... قابل توجيه نيست؛ از اين رو بايد با استفاده از روش هايي، بازده توليد گاز هيدروژن را افزايش داد. يکي از روش هايي که مي توان بازده توليد گاز هيدروژن را بالا برد، تغييرات ژنتيک در ژنوم اين باکتري ها با استفاده از روش هاي مهندسي ژنتيک و بيوتکنولوژي است. روش ديگر، استفاده از ترکيبي از باکتري هاي هوازي و بي هوازي در کنار هم است. در اين روش چون باکتري هاي بي هوازي در فرآيند تخمير توليد اسيد هاي آلي مي کنند، رفته رفته محيط واکنش اسيدي مي شود و ph پايين مي آيد؛ از اين رو توليد هيدروژن کاهش مي يابد. ولي هنگامي که باکتري هاي هوازي در محيط باشند، از اسيد هاي آلي استفاده و آنها از محيط خارج مي کنند؛ در نتيجه راندمان توليد گاز هيدروژن بالا مي رود.
مسائل ايمني
هيدروژن از ديدگاه ايمني نيز مطمئن و مطلوب است و براي حمل ونقل ، نگهداري و استفاده، خطرناك تر از سوخت هاي رايج ديگر نيست. به هر صورت مسائل ايمني همچنان به عنوان يكي از اساسي‌ترين

[ریپورتر]

مقوله ها در استفاده از انرژي هيدروژن باقي مي ماند.استانداردهاي متداول دنيا امنيت استفاده از آن را با سختگيري در طراحي‌ و انجام آزمايش هاي متعدد فراهم مي آورد. همچنين در حوزة نگهداري و حمل آن، استانداردهاي بسياري براي تمام تجهيزات مرتبط تدوين شده است.

سوخت هيدروژن به عنوان منبعي تجديدپذير، پاک و فراوان تر از سوختهاي فسيلي مي تواند کاربرد زيادي براي نيروگاه ها و بخش حمل و نقل داشته باشد. مهم‌ترين تفاوت بين موتور احتراق داخلي بنزين‌سوز و هيدروژني در ذات اين دوسوخت است. هيدروژن تحت فشار هواي طبيعي سريع‌تر از سوخت معمولي مشتعل مي‌شود، امادماي احتراق آن اندكي كمتر از بنزين است. در داخل موتور سرعت احتراق بالاي مخلوطهيدروژن و هوا دماي بيشتري در مقايسه با يك موتور بنزيني توليد مي‌كند. بنابراين،بايد زمانبندي سوخت بنزين تغيير كند و جرقه بايد زماني زده شود كه بهترين فشار درنقطه مرگ بالاي پيستون شكل گيرد. يكي از مزاياي قابل توجه فشار احتراق بالاتر ازمخلوط هيدروژن و هوا، توليد قدرت بيشتر از مقدار انرژي است كه در يك موتور بنزينيمصرف مي‌شود و اين يعني موتور هيدروژني بازده و كارايي بيشتري دارد. گاز هيدروژن سبك و فرار است. مولكول هاي كوچك H2 از طريق روزنه ها و شكاف ها و همچنين از طريق بست ها و شيرها بسيار سريع نشت مي كنند و هنگامي كه از اين طريق خارج شدند خيلي زود تبخير مي شوند.
هر چند كه هيدروژن مايع بسيار متراكم است و ذخيره سازي آن آسان به نظر مي رسد، اما در عين حال ذخيره كردن آن مي تواند مشكلاتي را نيز به همراه داشته باشد. هيدروژن حدوداً در دماي 20 درجه كلوين (253- درجه سانتي گراد) مايع مي شود. نگهداري از يك مخزن پر از هيدروژن مايع نيازمند استفاده از يك سيستم خنك كننده جانبي سنگين است. و ديگر اين که هيدروژن مايع چنان سرد است كه حتي مي تواند باعث منجمد شدن هوا نيز شود. . البته ممكن است گفته شود براي مقابله با انجماد هوا از سيستم هاي عايق كاري استفاده شود، اما اين كار نيز مشكلاتي را در پي دارد كه از جمله آنها مي توان به افزايش وزن سيستم ذخيره سازي سوخت اشاره كرد.
براي فايق آمدن بر چنين مشکلاتي دانشمندان استفاده از يک سنگ ويژه اي به نام زئوليت (Zeolite) را پيشنهاد کرده اند. «زئوليت ها موادي از جنس سنگ هستندكه بسيار متخلخلند و به همين دليل مي توانند به عنوان اسفنج هاي مولكولي عمل كنند يك مخزن سوخت كه در ساختار آن از اين موارد كريستالي زئوليت استفاده شده است، مي تواند گاز هيدروژن را «در حالت شبه مايع و بدون نياز به سيستم هاي خنك كننده سنگين» به دام انداخته و در خود ذخيره كند. در حدود 50 نوع زئوليت مختلف

[ریپورتر]

با تركيب شيميايي و ساختار كريستالي متفاوت در طبيعت يافت مي شود. بهترين زئوليت هاي موجود مي توانند فقط 2 تا 3 درصد از وزن خود را هيدروژن ذخيره كنند اگر بتوان كريستال هايي از زئوليت توليد كرد كه بتواند حدود 4 تا 6 درصد از وزن خود را، هيدروژن ذخيره كند، آن وقت يك مخزن زئوليتي پر از هيدروژن مي تواند با يك مخزن معمولي پر از بنزين رقابت كند.» . تحقيقات نشان داده که در محيطهاي با گرانش كم، مواد با سرعت بسيار كمتري گرد هم مجتمع مي شوند و اين اثر باعث مي شود كه كريستال هاي زئوليت به وجود آمده هم بزرگ تر باشند و هم از نظم بيشتري برخوردار شوند.» بنابراين هم اکنون دانشمندان در فضا مشغول ساخت زئوليت هاي با ساختار مناسب تر هستند و توانسته اند زئوليت هايي توليد کنند که از نمونه مشابه در زمين ده مرتبه بزرگتر هستند و اين شروع مسرت بخشي بود. به هر حال زئوليت ها مي توانند به عنوان نكته كليدي براي استفاده از سوخت هيدروژن و رد شدن از سد مشكلات فناوري محسوب شوند.در هر صورت در زمينه استفاده از سوخت هيدروژن کارهاي بزرگي شده و اصلي‌ترينگام را شرکت بي.ام.و برداشته است.
مهندسان بي.ام.و كه در جهان اتومبيل به مهندسانتكنولوژي معروف هستند، روياي سوخت هيدروژني را به واقعيت نزديك كرده‌اند. متخصصاناين شركت هم اكنون مدل سري 5 خود را به موتور احتراق داخلي با سوخت هيدروژني مجهزكرده‌اند و در گام بعدي، خودرويي را با شكل مسابقه‌اي به موتور هيدروژني تبديلكرده‌اند.

مهندسان بي.ام.و خودرو هيدروژني را با موتور h2r ساخته‌اند كه باآرايش خورجيني و يا 12 سيلندر

[ریپورتر]

و به‌كارگيري سوخت هيدروژن 285 اسب بخار قدرت توليدمي‌كند. خودرو جديد بي.ام.و در آخرين ركوردگيري توانسته ركورد 302 كيلومتر بر ساعترا به دست آورد. موتور جديد h2r بر مبناي موتور احتراق داخلي بي.ام.و سري 7 ساختهشده كه براي افزايش راندمان در اين موتور از زمانبندي متغير سوپاپ‌ها استفاده شدهاست.
به دليل نوع سوخت هيدروژن و حالت گازي آن، تغييراتي در سيستمسوخت‌رساني اين خودرو داده شده است.
بي.ام.و قصد دارد بر اساس تجربيات بهدست آمده در مدل h2r، خودرويي بسازد كه توانايي كاركرد با هيدروژن و بنزين را داشتهباشد.

طراحان بهترين موتور هيدروژني
خودرو هيدروژني بي.ام.و بهوسيله شركت تكنوسنتز - از شركت‌هاي زيرمجموعه بي.ام.و - ساخته شده است. يورگن كوبلر از مهندسان خبره آلماني و مدير پروژه h2r، اعتقاد دارد كه دركوتاه‌ترين زمان،‌ بهترين خودرو هيدروژني جهان ساخته شده است وي مدت ساختنمونه بي.ام. و را تنها 10 ماه مي‌داند و مي‌گويد: "اين كار سخت تنها با استفاده ازسيستم‌هاي شبيه‌ساز رايانه‌اي cap قابل اجرا بود؛ به طوري كه با استفاده از اين روشدر هزينه و وقت صرفه‌جويي بسيار شده است." همچنين مهندسان بي.ام.و بااستفاده از سيستم‌هاي فنربندي و تعليق رايج بي.ام.و زمان طراحي را كاهش داده‌اند. موتور جذاب h2r بر مبناي مدرن‌ترين و بزرگترين قواي محركه بي.ام.و شكل گرفته است. اين موتور چيزي نيست جز يك موتور 12 سيلندر v شكل شش ليتري كه اولين موتور احتراقداخل تجاري هيدروژني را پايه‌گذاري كرده است. مهم‌ترين تغييراتي كه در اجزايساختماني اين موتور به نظر مي‌رسد، نوع تزريق سوخت هيدروژن است. البته نوع فولاديكه براي محفظه احتراق ساخته شده هم بسيار جالب است. آلياژهاي به كار رفته در اينموتور از اسرار بي.ام.و است
تعریف پیل سوختی
پیل سوختی دستگاهی است الکتروشیمیایی که انرژی شیمیایی حاصل از یک واکنش شیمیایی را به انرژی الکتریکی مفید تبدیل می کند. تبدیل انرژی در پیل سوختی تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است . عملکرد پیل سوختی مانند باتری نیست که انرژی را ذخیره کند، بلکه در پیل

[ریپورتر]

سوختی حالتی از انرژی به حالت دیگر تبدیل می شود به طور که در این تبدیل مواد داخل پیل مصرف نمی شود.همچنین چگالی انرژی باتری کمتر از پیل سوختی است و فرایند شارژ نمودن باتری بسیار پیچیده تر از پر کردن تانک سوخت پیل سوختی می باشد. در باتریهای بعد از چندین بار شارژ شدن توان تبدیلات الکتروشیمیایی کاهش می یابد، حال آنکه در پیل های سوختی چنین محدودیتی وجود ندارد ، به عنوان مثال توده پیل های سوختی کار کرده دریک خودرو قابل انتقال به خودرو جدید می باشد.

سلول های سوختی چگونه کار می کنند؟
از نظر فنی، سلول سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی است. یک سلول سوختی، هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در این فرآیند الکتریسیته تولید می کند.
وسیله الکتروشیمیایی دیگری که همه ما با آن آشناییم، باتری است. یک باتری تمام مواد شیمیایی لازم را در خود ذخیره کرده و این مواد را به الکتریسیته تبدیل می کند. یعنی باتری بالاخره تمام می شود و شما یا آن را دور می اندازید و یا شارژ می کنید.
مواد شیمیایی ، به طور پیوسته در داخل سلول سوختی جریان دارند، بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی به سلول برقرار بوده و الکتریسیته به بیرون آن جریان داشته باشد، سلول سوختی تمام نمی شود. مواد اولیه بیشتر سلولهای سوختی که امروزه استفاده می شوند هیدروژن و اکسیژن هستند.سلول سوختی ، قابل رقابت با بسیاری از ابزارهای تبدیل انرژی دیگر است که شامل توربین گازی درون نیروگاه شهر شما، موتور بنزینی درون ماشینتان و باتری درون لپ تاپتان می شود. موتورهای احتراقی مانند توربین ها و موتورهای بنزینی ، سوخت ها را می سوزانند و از فشاری که با انبساط گازها بوجود آمده برای انجام کارهای مکانیکی استفاده می کنند. باتری ها نیز در مواقع لازم انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی بر می گردانند.سلولهای سوختی باید هردو عمل را بصورتی کارآمدتر انجام دهند.
سلول سوختی یک ولتاژ DC(direct current) فراهم می کند، که برای برق رسانی به موتورها ، چراغها یا هر تعداد وسیله برقی قابل استفاده و کافی است.انواع مختلفی از سلول سوختی موجود است، که هرکدام از یک فرآیند شیمیایی متفاوت استفاده می کنند. سلولهای سوختی معمولاً بر حسب نوع الکترولیتی که در آنها استفاده می شود، دسته بندی می شوند. بعضی از سلولهای سوختی برای استفاده در نیروگاههای برقی هستند. بقیه، ممکن است برای کاربردهای سبک یا برقدهی ماشینها مناسب باشند

[ریپورتر]

سلول سوختی تبادل پروتونی (PEMFC) یکی از رایجترین تکنولوژی ها در این زمینه است. این سلول سوختی می تواند به طور کامل برق ماشینها ، اتوبوسها و شاید خانه هایتان را تأمین نماید. PEMFC از یکی از ساده ترین واکنشهای سلول سوختی استفاده می کند.ابتدا به ساختار سلول سوختی PEM (proton exchange membrane )نگاهی می اندازیم.

شکل1.اجزای یک سلول سوختی PEM
در شکل1 ملاحظه می فرمایی که 4 عنصر پایه ای در PEMFC وجود دارند.
· آند، قطب منفی یک سلول سوختی، که چندین وظیفه دارد. الکترونهای کنده شده از مولکول هیدروژن را برای استفاده در یک مدار خارجی هدایت می کند. با مجراهای موجود در آن گاز هیدروژن آزاد شده را بر روی سطح کاتالیزگر پخش می کند.
· کاتد ، قطب مثبت یک سلول سوختی که مجراهای موجود در آن اکسیژن را روی سطح کاتالیزگر پخش می کنند. همچنین الکترونها را از مدار خارجی به سمت کاتالیزگر هدایت می کند که در آنجا با اکسیژن و یونهای هیدروژن ترکیب شده و آب تشکیل می شود.
· الکترولیت ، که غشا و پل تبادل پروتون است. این ماده با رفتاری خاص، که شبیه به یک صافب پلاستیکی معمولی موجود در آشپزخانه است، فقط یونهای در حال حرکت را از خود عبور می دهد. این غشا راه الکترونها را می بندد.
· کاتالیزگر یک ماده مخصوص است که واکنش هیدروژن و اکسیژن را آسان می کند. که معمولاً از گرد پلاتین با ورقه ای بسیار نازک از کربن روی ان ساخته می شود. کاتالیزگر درشت و متخلخل (پرمنفذ) است تا بیشترین سطح ممکن در مجاورت هیدروژن یا اکسیژن قرار گیرد. قسمت پوشیده از پلاتین کاتالیزگر طرف PEM قرار می گیرد.
فرآیند شیمیایی یک سلول سوختی
2H2 à 4H+ + 4e- : قطب آند

[ریپورتر]

O2 + 4H+ 4e- à2H2O : قطب کاتد

2H2 + O2 à2H2O : واکنش کلی

شکل 2 نشان می دهد که هیدروژن که قبلاً تنظیم فشار شده، از قطب آند وارد سلول سوختی می شود. فشار، این گاز را به سمت کاتالیزگر فشرده می کند. هنگامی که یک ملکول H2 در تماس پلاتین قرار گیرد، به دو یون H+ و دو الکترون (e) تجزیه می شود . الکترونها از طریق آند به مدار خارجی راه پیدا می کنند(که کار مفیدی همچون چرخاندن یک موتور انجام می دهد) و به قطب کاتد سلول سوختی باز می گردد.
در این بین، در قطب کاتد سلول سوختی گاز اکسیژن (O2) به سمت کاتالیزگر هدایت می شود، که در آنجا دو اتم اکسیژن تشکیل می شوند. هر کدام از این اتمها الکترونگاتیوی زیادی دارند. این الکترونگاتیوی دو یون H+ را جذب و از بین غشا عبور می دهد که در آنجا با اتم اکسیژن و دو الکترون از مدار خارجی ترکیب شده و ملکول آب (H2O) را تشکیل می دهند.
این واکنش در یک سلول سوختی فقط حدود 0.7 ولت تولید می کند. برای بالا بردن این ولتاژ تا یک حد منطقی، سلولهای سوختی جدا از هم زیادی باید با هم ترکیب شوند تا یک بسته سلول سوختی را تشکیل دهند.PEMFC ها در دمای نسبتاً کمی کار می کنند (تقریباً در 176˚F معادل 80˚C ) بدین معنی که آنها سریع گرم می شوند اما سازه نگهدارنده گرانقیمتی نیاز ندارند. ارتقا و پیشرفت پیوسته در مهندسی و موادی که در این سلولها به کار می رود چگالی برقی را تا حدی بالا برده است که یک وسیله با اندازهای معادل یک چمدان کوچک می تواند برق یک ماشین را تأمین کند.
مشکلات سلول سوختی:
در قسمت آخر آموختیم که یک سلول سوختی از هیدروژن و اکسیژن برای تولید الکتریسیته استفاده می کند. اکسیژن مورد نیاز سلول سوختی از هوا تأمین می شود. در حقیقت، در سلولهای سوختی PEM ، هوای عادی به کاتد پمپ می شود. به هر حال هیدروژن نیز خیلی آماده و در دسترس نیست. هیدروژن یک سری محدودیت هایی داردکه آن را بیشتر برای مصارف ، غیر کاربردی می کند. مثلاً شما لوله کشی