هیدروژن و پیل سوختی — گامی به سوی هوای پاک

انرژی هیدروژن (Hydrogen Energy) را می‌توان با کمک فناوری پیل سوختی (Fuel Cell) آزاد و به الکتریسیته تبدیل کرد. هیدروژن (عنصری) همیشه به عنوان یک سوخت عالی و کامل شناخته می‌شود. مقدار بسیار زیادی از هیدروژن در زمین (برای نمونه در آب) وجود دارد و قابل استفاده به عنوان سوخت است. سوزاندن هیدروژن نه تنها مضر نیست، بلکه برای طبیعت کاملا مفید است. هیدروژن هیچ‌ گاه تمام نمی‌شود. با این حال هیدروژن یک انرژی اولیه (primary energy) مانند نفت یا زغال‌سنگ نیست.  اما مانند الکتریسیته یک حامل انرژی پاک است. هیدروژن به دلیل قابلیت ذخیره‌سازی و انتقال در مسیرهای طولانی، بسیار مناسب است. البته ایجاد خطوط انتقال کاملا گران و هزینه‌بر است.

تولید هیدروژن با روش‌های دوست‌دار محیط زیست در دست بررسی است. یکی از این روش‌ها استفاده از انرژی خورشیدی و آب در تماس با کاتالیست‌های فعال و با عمر طولانی است. تحقیقات بر استفاده از نور خورشید برای ایجاد گرمای مورد نیاز شکست آب به هیدروژن و اکسیژن قابل استفاده، متمرکز شده است. روش دیگر تولید هیدروژن استفاده از بخار آب و گاز طبیعی برای تولید هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید نیز جذابیت‌های خاصی دارد. این روش با استفاده از انرژی خورشیدی محتوای انرژی گاز طبیعی را به میزان ۲۰ درصد افزایش می‌دهد.

در شرایط خاص، برخی جلبک‌های سبز میکروسکوپی در تابستان با استفاده از نور خورشید الکتریسیته تولید می‌کنند. یک ایده جالب تولید میزان کافی الکتریسیته خورشیدی در تابستان برای الکترولیز آب و تولید هیدروژن است. این هیدروژن می‌تواند در یک پیل سوختی به الکتریسیته تبدیل شود و انرژی مورد نیاز در زمستان را تامین کند. سپس این چرخه تکرار می‌شود. برای نمونه، خانه‌ای در آلمان مبتنی به انرژی خورشیدی (self-reliant solar energy house) ساخته شده است. این خانه بدون اتصال به شبکه برق، تمام برق مورد نیاز خود را تامین می‌کند.

در جدول زیر مزایا و معایب سوخت دیزل، پیل سوختی و باتری‌های الکتریکی را مشاهده می‌کنید.

طراحی پیل سوختی

پیل‌های سوختی تجهیزات الکتروشیمیایی (electro chemical devices) هستند. این تجهیزات با ترکیب هیدروژن و اکسیژن از طریق ایجاد یک بار الکتریکی در راستای یک غشاء،‌ برق تولید می‌کند. این تجهیز بدون داشتن قطعه‌ی دوار، با نرخ ثابت و پایدار الکتریسیته تولید می‌کند. سیستم پیل سوختی با امکان تبدیل سوخت (fuel reformer) می‌تواند، از انواع دیگر سوخت مانند گازوئیل، گاز طبیعی یا متانول استفاده کند. البته گاز طبیعی بیشتر از نفت در زمین وجود دارد. تاکنون از گاز طبیعی به شکل محدودی استفاده شده است. احتمالا گاز طبیعی در قرن ۲۱، بیشتر از دیگر سوخت‌ها مورد استفاده قرار گیرد. این سوخت می‌تواند به عنوان پلی برای تولید هیدروژن تا زمانی‌ که تولید هیدروژن از آب مقرون به صرفه گردد، در نظر گرفته شود.

فیلم آموزش پیل های سوختی – مفاهیم و ساختار در فرادرس

کلیک کنید

آینده پیل‌های سوختی

در برنامه‌های فضایی، هیدروژن تمام الکتریسیته مورد نیاز یک سفینه فضایی را تامین می‌کند. در نتیجه سوزاندن هیدروژن، آب آشامیدنی مورد نیاز فضانوردان تهیه می‌شود. کاربرد آینده‌ی نزدیک پیل سوختی، استفاده از این فناوری برای تولید الکتریسیته در خودروهای هیبریدی (hybrid) است. پیل سوختی می‌تواند دائما الکتریسیته مورد نیاز موتور خودرو را تامین کند. هیدرژون به علت داشتن شدت انرژی (energy density) زیاد، برای مسافت‌های طولانی مناسب است. در همین حال، باتری الکتریکی شدت توان (power density) مناسبی برای شتاب‌دهی به خودرو دارند. در یک خودروی هیبرید، از هر دو فناوری استفاده می‌شود.

پیل سوختی ابزار بسیار مناسبی برای تولید الکتریسیته از هیدروژن است. با این فناوری امکان کربن‌زدایی (Decarburization) از سوخت‌های فسیلی و حتی سوخت‌های زیستی فراهم می‌شود.  استفاده از انرژی‌های پاک راهی است به سمت کاهش دی‌اکسیدکربن در اتمسفر کره زمین است.

اگر به مباحثی از این قبیل علاقه‌مند هستید، آموزش‌های زیر برای شما مفید به نظر می‌رسد:

• آموزش مقدمه‌ای بر زیست سوخت‌‌ها
• آموزش پیل‌های سوختی -- مفاهیم و ساختار
• آموزش مقدماتی کنترل فرآیندهای مهندسی شیمی

::.

منبع