سیستم های پیل سوختی

بررسی کلی

پیل های سوختی که هم اکنون در مراحل اولیه ی تجاری سازی هستند، یک راه کاملا متفاوت در تولید الکتریسیته نسبت به روش های متداول تولید الکتریسیته می باشد. پیل سوختی مانند یک باتری عمل می کند. در واقع هر دوی این وسایل، به صورت مستقیم از طریق فرایند الکتروشیمیایی، جریان DC تولید می کنند (بدون احتراق مستقیم منبع سوخت). به هر حال، در حالی که یک باتری برق را از یک مقدار انرژی ذخیره شده ی محدود، فراهم می آورد، پیل سوختی می تواند به صورت نامحدود کار کند. این مسئله در صورتی رخ می دهد که ماده ی سوختی و اکسیژن به داخل آن وارد شود. یون های باردار از میان الکترولیت موجود در بین الکترودها، عبور می کنند و با این کار، الکتریسیته تولید می شود. در بسیاری از پیل های سوختی، یک کاتالیست، قابلیت تولید برق الکتریسیته را افزایش می دهد.
پیل های سوختی دارای قابلیت تولید برق تمیز و با بازده بالا را دارا می باشند. این مزیت ها موجب شده است تا سرمایه گذاری هنگفتی بر روی تولید و توسعه ی این سلول ها انجام شود. همانند بیشتر تکنولوژی های جدید، سیستم های پیل سوختی با برخی موضوعات مربوط به دشواری های بازار روبرو هستند که این مسئله نتیجه ای از عدم تکامل محصول، پیچیدگی سیستم و قابلیت اطمینان پایین به محصولات کنونی می باشد. این مسئله موجب می شود تا هزینه های سرمایه گذاری این محصولات بالا، زیرساخت های حمایتی ضعیف و ریسک های فنی پیش رو بالا باشد. در حالی که آینده ی پیل های سوختی نامشخص است، مزیت های عدیده ی این تکنولوژی موجب شده است تا این انتظار وجود داشته باشد که این تکنولوژی دارای پتانسیل قابل توجهی در تغییر نحوه ی تولید الکتریسیته باشد.
آقای William Grove که در دهه ی 1830، ساختار یک پیل سوختی هیدروژنی را در لندن نمایش داد، خالق چیزی بود که امروزه به آن تکنولوژی پیل سوختی می گویند. تکنولوژی Grove بیش از 100 سال کنار افتاده بود و کاربرد عملی نداشت. ساخت پیل های سوختی در دهه ی 1950 وارد مراحل آزمایشگاهی شد. در این زمان، این سیستم های برق برای برنامه های فضایی آمریکا، توسعه یافتند. امروزه، تکنولوژی پیل های سوختی با یک گستره از تکنولوژی های مختلف، موضوعات فنی و عکس العمل های بازار، همراه است. مقدار قابل توجهی از سرمایه گذاری های خصوصی و عمومی، بر روی توسعه ی پیل های سوختی برای کابردهای صنعت خودرو و تولید برق، اختصاص داشته است.
5 نوع اولیه از پیل های سوختی وجود دارد که 4 تا از آنها در مرحله ی توسعه و تحقیق هستند. نوع این پیل ها با توجه به نوع الکترولیت مورد استفاده، تعیین می شود. انواع این پیل ها عبارتند از:

پیل های سوختی فسفریک اسیدی (PAFC)

پیل های سوختی با غشاء تبادلگر پروتون (PEMFC)- این نوع از پیل های سوختی را پیل های سوختی با غشاء پلیمری نیز نامیده می شوند.
پیل های با غشاء کربناتی مذاب (MCFC)
پیل های سوختی اکسید جامد (SOFC)
پیل های سوختی قلیایی (AFC)
گستره ی دمایی این پیل ها از دمای محیط تا 1880 فارنهایت است. بازده تولید الکتریسیته در این پیل ها بین 30 تا بیش از 50 % است. 4 نوع از این پیل ها می توانند ویژگی های کاربردی بسیار متفاوت و مزیت ها و محدودیت های خاص خود را داشته باشند و بنابراین، برای گستره ی وسیعی از کاربردهای تولید توزیعی، مناسب هستند.
انواع مختلف پیل های سوختی دارای ویژگی های مشترکی هستند. اول، پیل های سوختی موتورهای بر پایه ی انرژی حرارتی (سیکل کارنو) نیستند. یک موتور کارنو یک موتور ایده آل است که در آن مقدار ماکزیمم کار مفید بدست آمده از یک موتور گرمایی، بدست می آید. به دلیل اینکه پیل های سوختی موتورهای گرمایی نیستند، آنها به بازده کارنو محدود نیستند. در حقیقت، آنها از فرایند الکتروشیمیایی یا فرایندهای شبه باطری استفاده می کنند و انرژی شیمیایی هیدروژن را به آب تبدیل می کند و محصول این تولید، آزاد سازی انرژی الکتریکی است. پیل های سوختی از لحاظ تئوری می توانند بازده الکتریکی بالایی بدست آورند. ویژگی جالب توجه دیگر آنها، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت می باشد. این هیدروژن را احتمالا می توان از منابع هیدروکربنی مانند گاز طبیعی یا از فرایند الکترولیز آب بدست آورد. سومین مورد جالب توجه این است که هر سیستم پیل سوختی از سه زیر بخش تشکیل شده است: 1) یک پردازنده ی سوخت، که گاز طبیعی را به جریان های سوختی غنی از هیدروژن تبدیل می کند (این بخش می تواند در داخل بخش پیل سوختی قرار داده شود). 2) بخش اصلی پیل سوختی که به صورت مستقیم الکتریسیته تولید می کند. و 3) تنظیم کننده ی برق که انرژی الکتریکی را به برق متناوب یا مستقیم تبدیل می کند. در نهایت، تمام انواع پیل های سوختی دارای انتشار NO پایین تری هستند زیرا فرایندهای احتراق و تولید هیدروژن با استفاده از گاز طبیعی یا سایر سوخت های سبک، انجام می شود.
یک پیل سوختی دارای دو الکترود (آند و کاتد) است که بوسیله ی یک الکترولیت (کاتالیست) از هم جدا می شوند. برای تولید مقادیر معمول از الکتریسیته، سلول های منفرد به همدیگر متصل می شوند و سیستم پیل سوختی را تشکیل می دهند. چندین OEM سیستم های پیل سوختی تجاری سازی شده را به بازار عرضه کرده اند. این گزارش بر روی سیستم های پیل سوختی مجتمع مورد استفاده در کاربردهای تولید توزیع شده ی انرژی، تمرکز دارد. امروزه، تنها یک سیستم پیل سوختی تجاری برای کاربردهای تولید توزیع شده ی انرژی، وجود دارد. این سیستم یک واحد PAFC است که از سال 1992 به صورت تجاری به بازار ارائه شده است. با بیش از 250 واحد فروخته شده، PAFC دارای بیش از 6 میلیون خانه بوده است. استفاده از این سیستم در ایستگاه های پلیس نیویورک، ادارات پست آلاسکا و در سیستم های کارت اعتباری موجود در نوادا بوده است. با نصب این سیستم ها در 19 کشور، این پیل های سوختی تجاری به طور موفقیت آمیز در بازار فروش سیستم های توزیعی برق، به کار گرفته می شوند. اگر چه بسیاری از شرکت ها در حال حاضر در زمینه ی آزمون های میدانی سیستم های پیل سوختی کار می کنند، تولید پیل های سوختی مطمئن نیازمند گذر زمان است. به همین دلیل، بسیاری از پارامتر کارایی باید به جای ویژگی های مجاز، به عنوان اهداف توسعه ای و تجربی در نظر گرفته شود.

کاربردها

این تصور وجود دارد که سیستم های پیل سوختی می تواند کاربردهای خوبی در زمینه ی تولید توزیع شده ی انرژی دارد. PAFC 200 وات دارای معیارهای قابل قبول برای تمام تکنولوژی های موجود در این زمینه می باشد. 40000 ساعت عمر مفید و 9600 ساعت کارکرد مداوم به عنوان یک استاندارد برای دوام و پایداری این سیستم ها در نظر گرفته می شود. در این بخش از توسعه و استفاده های متداول، پیل های سوختی دارای هزینه های سرمایه گذاری بالایی هستند و ریسک پروژه ای در آنها بالاست.
در بازار تولید برق توزیع شده، اولین محرک برای قبول یک تکنولوژی، قابلیت مهیا نمودن برق با کیفیت و مزیت های مربوط به قابلیت اطمینان است. همچنین، آنها باید در هنگام اعمال بارهای مختلف، توانایی تحمل داشته باشند و انتشار گازهای حاصله از آن، کم باشد. بیشتر پیل های سوختی تجاری مثبت 200، از ترکیبی از واحدهای حرارت دهی و تولید برق تشکیل شده اند تا بدین صورت، هزینه ها کاهش یابد.
کاربردهای بالقوه ی سیستم های پیل سوختی در بخش هایی است که در آن، نیاز به ترکیب شدن بخش برق با بخش حرارت دهی (CHP)، تولید برق با کیفیت بالا، محدودیت شبکه و... است. هزینه های سرمایه گذاری بالا موجب شده است تا استفاده از این سیستم ها بیشتر در برق اضطراری، و سیستم های کاهنده ی پیک برق، استفاده شود. زمان های شروع به کار بالا برای پیل های سوختی دما بالا، امکان استفاده از آنها در برق های اضطراری را محدود می کند.

تنها برق

برق گران قیمت تر
مشتری هایی که نیازمند میزان قابلیت اطمینان بالاتری به سیستم برق خود هستند و یا می خواهند برق با کیفیت بالاتری بدست آورند، اغلب برخی از انواع سیستم های برق توزیع شده را به خدمت می گیرند. این مشتری ها به طور نمونه وار کمتر به فکر قیمت ادوات تولید برق هستند در بازار این نوع از تولید برق، هزینه های بالای کنونی برای سیستم های پیل سوختی ممکن است نسبت به بازده بالای این سیستم ها، انتشار کمتر گازهای آلاینده، کاهش میزان لرزش و سروصدا، قابلیت اطمینان بالا و در دسترس بودن، کیفیت بالای برق، قابلیت تطبیق با محدودیت های محلی، مطلوب باشد. سیستم های پیل سوختی می تواند هم به صورت تأسیسات داخلی و هم خارجی در ساختمان ها، طراحی شوند.
توانایی تولید برق در مکان های دور دست (remote power)
در مکان هایی که شبکه ی توزیع برق وجود ندارد و یا نصب تأسیسات مربوط به شبکه ی توزیع، پر هزینه باشد، می توان از این سیستم ها استفاده کرد. همانند مسئله ی برق گران قیمت، تولید برق در مکان های دور دست نیز عموما یک به میزان بار اعمالی و ساعات استفاده، وابسته اند. به عنوان یک نتیجه، در طولانی مدت، مسئله ی انتشار گازهای آلاینده و بازده استفاده از سوخت یک معیار تعیین کننده در بیشتر این نوع کاربردها می شود. با توجه به مزیت های بالقوه ی این سیتسم ها، این سیستم های تأمین انرژی می تواند به عنوان یک رقیب برای سایر سیستم های تأمین برق در مکان های دور دست، مطرح شود.

حمایت شبکه

یکی از اولین کاربردهای که در آن استفاده از تکنولوژی پیل سوختی، مطرح گردید، حمایت شبکه بود. این حمایت شبکه یعنی جایگزینی استراتژیک ژنراتورهای کوچک برق در نواحی محلی است که در آنها تقاضا برای برق بالاست ولی اقتصادی نیست که در آنجا ظرفیت شبکه ی برق را افزایش دهیم. مثال های متعددی در مورد استفاده از این روش در ایالات متحده ی آمریکا و کشورهای، وجود دارد. کاربردهای اولیه ی از این تکنولوژی در ایالات متحده ی آمریکا، استفاده از موتورهای دیزلی و گازی نسبتا بزرگ برای زمان های پیک مصرف می باشد. یک چنین تأسیساتی می تواند نیاز به توسعه ی سیستم های توزیع و انتقال را تغییر دهند و می توانند ظرفیت در زمان های پیک مصرف را در داخل نواحی اضطراری، افزایش یابد. همچنین از این سیستم ها در تصحیح فاکتور توان و حمایت از ولتاژ نیز استفاده می شود و بوسیله ی آن، هزینه های مشتری و سیستم مورد استفاده، کاهش می یابد. یکی از ظرفیت های ممتازی که سیستم های پیل سوختی ایجاد می کنند، قابلیت عملکرد منفرد پیل سوختی برای اصلاح فاکتور توان و ویژگی های هارمونیک در کاربردهای حمایتی در شبکه است.

حرارت و برق ترکیب شده

کاربردهای حرارت و توان ترکیب شده (CHP) کاربردهایی هستند که در آن حرارت فرعی و هدر رفته، برای تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد. از سیستم های پیل سوختی می توان در این کاربردها استفاده نمود.
حرارت می تواند عموما در شکل آب داغ یا جریان کم فشار ریکاوری شود اما ظرفیت حرارت به نوع پیل سوختی و دمای کارکرد آن وابسته است. برای مثال، PEMFC ها در دمایی کمتر از 200 فارنهایت کار می کنند و بنابراین، تنها حرارت با ظرفیت پایین ایجاد می کنند. PAFC ها در دمای 400 فارنهایت کار می کنند و هم می توان حرارت های با دمای 140 و هم حرارت هایی با دمای 250 فارنهایت را ریکاوری کرد. عموما، بازیافت حرارت از این سیستم های CHP پیل سوختی برای فرایندهای دما پایین، حرارت دهی و سرمایش فضا، و حرارت دهی آب، نیاز است. SOFC و MCFC ها می توانند جریان هایی با فشار متوسط تولید کنند. این جریان از گاز خروجی دما بالا تشکیل شده است اما بیشتر گازهای خروجی از این پیل ها، معمولا برای حرارت دهی گازهای ورودی به فرایند مورد استفاده قرار می گیرند.
به نظر می رسد که ساختمان های تجاری/ صنعتی و تأسیسات صنعتی با بارهای الکتریکی مکفی و گرمایش و سرمایش محیطی، بهترین گزینه برای استفاده از CHP پیل سوختی، در بخش های تجاری/ صنعتی است. در ساختمان های اداری، و برخی انبارها و ساختمان های با کاربری تجاری یا سرویس دهی، نیز می توان از CHP های پیل سوختی استفاده کرد و بواسطه ی آنها انرژی گرمایی مورد استفاده در برخی از انواع معین ساختمان را افزایش داد.

توصیف فنی

پیل های سوختی جریان الکتریسیته را از طریق انجام فرایند الکتروشیمیایی مستقیم، تولید می کنند. کار آنها مشابه یک باطری است. به هر حال، برخلاف باطری ها، واکنش های پیل سوختی به طور پیوسته تجدید پذیر است. مواد واکنش دهنده که معمولا هیدروژن و اکسیژن هستند، به داخل پیل سوختی تزریق می شوند و برق با انجام واکنش میان این مواد، تولید می شود. هیدروژن مورد نیاز در این واکنش معمولا از هیدروکربن های مختلف مانند گاز طبیعی یا LPG تولید می شود. اکسیژن نیز از هوا بدست می آید.

اصول فرایند و اجزای مورد استفاده

یک سیستم پیل سوختی که با گاز طبیعی کار می کند، از سه زیر بخش تشکیل شده است:
پردازنده ی سوخت که گاز طبیعی را به جریانی از گاز غنی از هیدروژن تبدیل می کند.
بخش انبار پیل سوختی که به طور مستقیم الکتریسیته تولید می کند و
تنظیم کننده ی برق که انرژی الکتریسیته را به جریان مستقیم یا متناوب تبدیل می کند.
شکل 1 فرایند الکتروشیمیایی ایجاد شده در PAFC و PEMFC ها را نشان می دهد. این پیل های سوختی شامل یک کاتد، یک آند و یک الکترولیت هستند. شکل 1 سلولی را نشان می دهد که به یک بار خارجی اتصال یافته است. آند با سوخت و الکترولیت در تماس است، واکنش سوخت را کاتالیست می کند و راهی ایجاد می کند که بوسیله ی آن، الکترون های آزاد از طریق مدار خارجی به بار می رسند. کاتد با با اکسیژن و الکترولیت در تماس است، واکنش اکسیژن را کاتالیست می کند و راهی ایجاد می کند تا از طریق آن الکترون های آزاد به مدار خارجی وارد شده و به بار خارجی برسند. الکترولیت، یک ماده ی رسانای یونی، به عنوان جداکننده میان آند و کاتد عمل می کند و از مخلوط شدن و احتراق مستقیم سوخت، جلوگیری می کند. مدار الکتریکی با انتقال یون های هیدروژن از آند به کاتد، کامل می شود.
هیدروژن و اکسیژن به آند و کاتد تزریق می شوند. هیدروژن و اکسیژن به طور مستقیم مخلوط نمی شوند و احتراق اتفاق نمی افتد. در عوض، هیدروژن با کمک کاتالیزور، اکسید می شود. به دلیل اینکه واکنش در دماهای بسیار بالا انجام نمی شود، فرصت برای تشکیل گازهای NO_x وجود ندارد.
در آند، گاز هیدوژن به صورت الکتروشیمیایی به یون های هیدروژن تبدیل می شود و الکترون های آزاد ایجاد می شود:

واکنش آندی:

2H_2→4H^++4e^-
الکترون ها از آند خارج می شوند و بداخل مدار الکتریکی خارجی وارد می شوند. جریان یون های هیدروژن در لایه ی الکترولیت ایجاد شده و این جریان به سمت کاتد پیش می رود. علت این حرکت، غلظت یون هاست. در کاتد، گاز اکسیژن به صورت الکتروشیمیایی با یون های هیدروژن ترکیب می شود و آب تشکیل می شود:

واکنش کاتدی:

O_2+4H^++4e^-→2H_2 O
واکنش کلی انجام شده در این پیل سوختی به صورت زیر است

واکنش پیل سوختی:

2H_2→4H^+→2H_2 O+energy
مقدار کاری که انجام می شود برابر است با اختلاف میان انرژی آزاد گیبس محصولات و انرژی آزاد مواد واکنش دهنده.
وقتی برق تولید می شود، الکترون ها از طریق مدار خارجی جریان می یابند. همچنین جریانی یونی از میان لایه ی الکترولیت و جریان مواد شیمیایی از بخش الکترودها خارج می شوند. هر فرایند دارای مقاومت طبیعی است که باید بر این مقاومت فایق آییم. این مقاومت ولتاژ سلول را به مقداری کمتر از ولتاژ تئوری می رساند. همچنین فرایندهای بازگشت ناپذیری وجود دارد که بر پتانسیل حقیقی اثر می گذارند. مقداری از انرژی های پتانسیل شیمیایی به حرارت تبدیل می شود و از این رو در این سلول ها مقاومتی حرارتی ایجاد می شود. توان الکتریکی ایجاد شده در این سلول های سوختی محصولی از جریان اندازه گیری شده بر حسب آمپر و ولتاژ عملیاتی است. مقدار حرارت ایجاد شده در داخل پیل سوختی محصولی از جریان و تفاوت میان پتانسیل ماکزیمم تئوری و ولتاژ عملیاتی واقعی است. یک پیل سوختی نمونه وار، ولتاژی بین 55/0 تا 8/0 ولت دارد. در بیشتر موارد، آب تولید شده در پیل سوختی به صورت بخار آب تشکیل می شود. واکنش هیدروژن و اکسیژن برای تولید بخار آب دارای پتانسیل تئوری 23/1 ولت است. بنابراین، برای تخمین حرارت قابل حس ایجاد شده در فرایند الکتروشیمیایی پیل سوختی، از پتانسیل 23/1 ولت ا

ستفاده می شود.

بازده الکتریکی پیل نسبت توان تولید شده به مقدارحرارتی است که برای تولید هیدروژن مصرف شده است. به دلیل مصرف مقدار معینی از هیدروژن همواره یک مقدار یکسان از جریان الکتریکی ایجاد می کند، نسبت ولتاژ عملیاتی به ماکزیمم ولتاژ تئوری (48/1 ولت) معمولا برای بیان بازده بخش تولید الکتریسیته محسوب می شود. برای پیل هایی که آب تولید شده را به حالت مایع در نمی آورند، ولتاژهای ماکزیمم تئوری برابر 23/1 است و بازده LHV برابر نسبت ولتاژ عملیاتی واقعی به مقدار 23/1 است. ماکزیمم بازده ترمودینامیکی پیل سوختی یک پیل سوختی برابر نسبت انرژی آزاد گیبس به مقدار حرارت مورد استفاده در تولید هیدروژن است. انرژی آزاد گیبس با افزایش دما، کاهش می یابد که علت آن این است که آب تولید شده در دماهای بالا موجب تغییر انرژی آزاد می شود. بنابراین، بازده ماکزیمم بخش انجام واکنش پیل سوختی با افزایش دما، کاهش می یابد. به هر حال، وقتی در سیستم های پیل سوختی، سیستم های با تکنولوژی دمایی بالاتر، بازده الکتریکی خالص بالاتری فراهم می آورند.
شکل 2 این ویژگی را با مقایسه با حددو بازده سیکل کارنو، نشان می دهد. این سیکل کارنو در دمایی بین 120 تا 210 فارنهایت کار می کند.

آرایه ی پیل های سوختی

سیستم های پیل سوختی باید ولتاژهایی ایجاد کنند که از 8/0 بالاتر باشد. این مسئله با ترکیب کردن سلول ها به صورت سری و پدید آمدن آرایه ای از پیل های سوختی انجام می شود. در یک آرایه، معمولا تعداد زیادی سلول(چند 100 سلول) قرار گرفته اند). تعداد حقیقی سلول ها به خروجی ولتاژ مناسب، وابسته است. جریان تولید شده به ناحیه ی فعال هر سلول، وابسته است.
به طور نمونه وار، ناحیه ی فعال سلول می تواند از 100 سانتیمتر مربع تا بیش از 1 متر مربع باشد. این مسئله به نوع سلول و کاربرد پیل سوختی، وابسته است.

پردازنده ی سوخت

برای استفاده از گاز طبیعی و سایر سوخت ها به عنوان سوخت برای پیل های سوختی، این وسایل به دستگاهی نیاز دارند تا این سوخت را به جریان های گازی غنی از هیدروژن تبدیل کند. این وسایل پردازنده ی سوخت تا مبدل سوخت نامیده می شوند. در حالی که افزوده شدن این بخش موجب پدید آمدن تنوع در گاز مورد استفاده در این سیستم ها می شود، استفاده از این بخش ها موجب می شود قیمت و پیچیدگی سیستم بالا رود. سه نوع از مبدل ها وجود دارد: مبدل های جریانی، مبدل های اتوترمال و مبدل های با اکسایش جزئی. تفاوت های اصولی این مبدل ها منبع اکسیژنی است که برای ترکیب شدن با کربن موجود در سوخت، استفاده می شود. مبدل های جریانی از جریان، مبدل های با اکسایش جزئی از گاز اکسیژن و مبدل های اتوترمال هم از اکسیژن و هم جریان گاز استفاده می کنند.
تبدیل با استفاده از جریان گازی، یک فرایند گرماگیر است و نیازمند مقدار قابل توجهی انرژی است. واحدهای اکسایش جزئی بخشی از سوخت را می سوزانند تا حرارت مورد نیاز برای فرایند فراهم آید. مبدل های اتوترمال مقدار جریان اکسیژن مورد استفاده برای عملیات را به حدی تنظیم می کنند که به نقطه ی خنثی شدن گرمایی نزدیک باشد. در این فرایند حرارت نه تولید و نه مصرف می شود.
وقتی با سیستم پیل سوختی روبرو هستیم که از گازهای خروجی از آند استفاده می کند، مبدل گاز طبیعی می تواند بازدهی در حدود 75 تا 90 % LHV ایجاد کند. کارایی این بخش 83 تا 85 % پیش بینی می شود. این بازده ها به عنوان LHV هیدروژن تولید شده بخش بر LHV گاز طبیعی مصرف شده در مبدل، تعریف می شود.
برخی از پیل های سوختی می توانند به صورت جریان داخلی عمل تبدیل را انجام دهند. از آنجایی که این مبدل یک مبدل کاتالیستی گرماگیر است و سخت یک اکسید کننده ی کاتالیستی گرمازاست، این دو بخش ترکیب شده و هر بخش از مزیت بخش دیگر، استفاده می کند. این پیل های سوختی نسبت به پیل های دیگر پیچیده ترند. در حالی که فرایند ترکیب کردن کاتالیستی فرایندی با قابلیت کنترل و نظم دهی سخت است، این نوع پیل های سوختی سهم قابل توجهی از بازار فروش پیل های سوختی را به خود اختصاص خواهد داد. تبدیل داخلی هزینه ها و پیچیدگی عملیاتی یگ مبدل سوختی مجزا را ندارد. این نوع تبدیل تنها برای پیل های سوختی با دمای بالا، قابل استفاده می باشد.
در جاهایی که هیدروژن از سوخت هیدروکربنی بدست می آید، معمولا مونوکسید کربن نیز در هیدروژن وجود دارد. بدبختانه، کاتالیست های دما پایین مورد استفاده در PEMFC ها، دارای مقاومت پایینی در برابر CO هستند. و در صورت برخورد با CO، کارایی آنها افت می کند. تکنولوژی های دما بالا نسبت به CO مقاومترند.
ترکیبات سولفوره همچنین برای کاتالیزورهای پیل سوختی سمی هستند. در نیتجه، سیستم های تولید سوخت مورد استفاده برای پیل سوختی به نحوی طراحی می شوند که دارای بخش های زداینده ی سولفور باشد. mercuptan odorant مورد استفاده در گاز طبیعی، معمولا یک ترکیب گوگردی است که معمولا باید زدوده شود.

بخش های تنظیم کننده ی برق

پیل های سوختی ولتاژهای پایین و الکتریسیته ی با جریان مستقیم ایجاد می کنند و سلول های منفرد به صورت سری به هم متصل می شوند تا بدین صورت ولتاژهای بالاتری ایجاد شود. این ولتاژها در برخی کاربردها تا 400 ولت نیز می رسد. اگر این سیستم به اندازه ی کافی بزرگ باشد، آرایه های پیل سوختی می توانند به صورت سری کار کنند و با این کار، ولتاژ می تواند دوبرابر یا سه برابر شود. از انجایی که با افزایش بار یا توان، ولتاژ سلول های منفرد، کاهش می یابد، پیل های سوختی به عنوان یک منبع با ولتاژ غیر منظم در نظر گرفته می شود. بخش های تنظیم کننده ی ولتاژ موجب می شوند تا خروجی ولتاژ به سطح معینی برسد به نحوی که بتواند به عنوان ولتاژ ورودی در یک مبدل استفاده شود. این مبدل از روش های مدولاسیون پالسی برای تولید موج های سینوسی بهره می برد. این مبدل ها می تواند زاویه ی فازی ولتاژ و شکل موج جریان را برای کنترل خواص فاکتور توان، تغییر دهد. بازده فرایند تنظیم توان معمولا بین 92 تا 96 % است. این بازده به ظرفیت سیستم و خواص ولتاژ- جریان وابسته است. به دلیل اینکه تغییر در جریان به طور الکترونیکی، انجام می شود، توان خروجی عموما استانداردهای کیفیتی لازم را دارا می باشد، اگر چه ادوات ایجاد کننده ی چرخش می تواند موج های سینوسی خالص با تخریب های هارمونیک کمتر ایجاد کند.

انواع پیل های سوختی

5 نوع پیل سوختی وجود دارد که هر کدام دارای الکترولیت های مخلتفی هستند و دمای عملیاتی آنها نیز متفاوت است. دوتا از این پیل ها یعنی پیل های با الکترولیت پلیمری (PEMFC) و پیل های سوختی اسید فسفریکی (PAFC) دارای الکترولیت های اسیدی هستند که در انها انتقال یون هیدروژن انجام می شود (شکل 1). این پیل ها، پیل های رسانای پروتونی نامیده می شوند. دو تای دیگر از این پیل ها یعنی پیل های سوختی قلیایی (AFC) و پیل های سوختی کربنات مذاب (MCFC)، به ترتیب بر پایه ی انتقال یون های هیدورکسید و کربنات، کار می کنند. نوع پنجم، پیل های سوختی اکسید جامد هستند که از الکترولیت های سرامیکی استفاده می کنند. در این مواد، رسانایی یون اکسیژن بوجود می آید. سه مورد آخر پیل های سوختی با رسانای آنیونی نامیده می شوند. جدول 1 ویژگی های اصولی هر پیل سوختی که در بالا بدان اشاره شد، آورده شده است.
هر نوع از پیلهای سوختی به نحوی طراحی شده اند که در دمای بهینه کار کنند. این دما، دمایی تعادلی میان رسانایی یونی و پایداری اجزا می باشد. این دماها به طور قابل توجهی از یک نوع به نوع دیگر، فرق می کند. گستره ی دمایی مورد استفاده در این وسایل، بین دمای محیط تا 1800 فارنهایت است. پیل های سوختی با رسانای پروتونی در کاتد آب تولید می کنند و پیل های سوختی با رسانای آنیونی در آند آب تولید می کنند.
چهار نوع از پیل های سوختی که برای استفاده در کاربردهای تولید انرژی توزیع شده، استفاده می شوند، عبارتند از: پیل های PEMFC، PAFC، MCFC و SOFC (جدول 1).
PEMFC (پیل های سوختی با غشاء مبادله گر پروتون یا الکترولیت های پلیمری)
این پیل ها به عنوان الکترولیت های پلیمری جامد استفاده می شوند و در دمای پایین کار می کنند (دمایی در حدود 150 تا 180 فارنهایت). در طی 10 سال گذشته، PEMFC ها دارای گسترش قابل توجهی بوده اند. علت این مسئله، سرمایه گذاری های هنگفت در این زمینه است. به دلیل سادگی ساخت، سیستم های مبدل/ PEFC ها برای کاربردهای نورپردازی و پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین از آنها به عنوان منبع انرژی در کاربردهای مختلف نیز استفاده می شود.
PEMFC ها کوچک و سبک هستند. دانسیته ی توان آنها برابر 1 وات بر گرم می باشد. تکنولوژی pEMFC ها زمان شروع به کار کوتاهی دارند و زمان پاسخ گویی آنها اندک است. دمای عملیاتی پایین آنها نیز گستره ی پتانسیل در کاربردهای CHP را برای PEMFCها محدود می کند. این نوع از پیل های سوختی بسیار به مونوکسید کربن حساس هستند و این بدین معناست که باید میزان CO ورودی به این پیل ها بسیار اندک باشد.

AFC ( پیل های سوختی قلیایی)

F.T. Bacon در دانشگاه کمبریج برای اولین بار نشان داد که AFC ها می تواند به عنوان واحدهای تولید برق استفاده شود. این کار در دهه های 1940 و 1950 انجام شده است. این فرد بعدها این پیل های سوختی را برای NASA تولید کرد و از ان در فضا پیمای آپولو استفاده شد. این نوع پیل سوختی هنوز هم در حال استفاده شدن در شاتل های فضایی است. از این پیل برای تولید برق اولیه و سیستم آب آشامیدنی فضاپیما، استفاده می شود. تکنولوژی AFC بازه بالایی دارد و از الکترودهای فلزی معمولی استفاده می کند. در واقع در ساخت این پیل ها نیاز به استفاده از مواد غیر متعارف وجود ندارد. محدودیت های اصلی این پیل ها، تمایل به جذب دی اکسید کربن و تبدیل الکترولیت های قلیایی به الکترولیت های کربناتی مایع با رسانایی کمتر، می باشد. در کاربردهای فضایی، از هیدروژن و اکسیژن با خلوص بالا استفاده می شود که در آن دی اکسید کربن وجود ندارد. جذابیت این پیل ها در کاربردهای ثابت است.

PAFC (پیل های سوختی اسید فسفریکی)

PAFC ها از اسید فسفریک به عنوان الکترولیت استفاده می کنند و عموما جدیدترین تکنولوژی کنونی است. اولین سیستم PAFC در دهه ی 1970 طراحی و ساخته شد. سیستم های PAFC قادرند تا بازده 36 % HHV یا بیشتر ایجاد کنند. PAFC 200 کیلو واتی از سال 1992 تاکنون به صورت تجاری راهی بازار شده اند. بیش از 250 واحد تجاری از این نوع پیل سوختی در 19 کشور از 5 قاره، از این نوع پیل استفاده می کنند (کشورهایی مانند آمریکا، آمریکای جنوبی، استرالیا و ژاپن). محصولات 200 کیلوواتی کنونی دارای عمر مفید بیش از 40000 ساعت هستند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد .