دانلود تحقیق پیل حرارتی

پیل حرارتی

مقدمه

پیلهای حرارتی مهمترین جزء باتری حرارتی به شمار می‌آیند.

باتریهای حرارتی ، باتریهایی هستند که بخاطر دارا بودن یک سری ویژگیهای منحصر به فرد ، برای استفاده در اهداف نظامی کاملا مناسب می‌باشند.

در این مقاله پیلهای حرارتی معرفی و طبقه بندی می‌شوند.

سپس اجزای پیلهای حرارتی شامل آند ، کاتد و الکترولیت این پیلها و مواد تشکیل دهنده آنها معرفی می‌شود.

باتری حرارتی یک منبع تولید کننده جریان الکتریکی است که به علت دارا بودن چگالی جریان بالا و قابلیت اطمینان زیاد و عمر طولانی ، به منظور تأمین جریان الکتریکی مورد نیاز در سلاحهای نظامی بکار می‌روند.

این جریان الکتریکی بوسیله تعدادی پیل تولید می‌شود.

بر حسب اینکه جریان مصرفی مورد نیاز چقدر باشد، تعداد پیلها ، نحو ه آرایش آنها به صورت سری یا موازی و نیز ابعاد الکترودها متفاوت خواهد بود.
ساختمان پیل

هر پیل از سه بخش اصلی و سه بخش فرعی تشکیل شده است.

اجزای اصلی عبارتند از: کاتد (قطب منفی) ، الکترولیت و آند (قطب مثبت).

اجزای فرعی نیز عبارتند از جمع کننده جریان قطب مثبت ، جمع کننده جریان قطب منفی و منابع گرمایی.

برخلاف سایر پیلهای شیمیایی که دارای الکترولیت مایع هستند، در پیلهای حرارتی ، الکترولیت در دمای محیط ، جامد و غیر هادی است، لذا در شرایط معمولی پیل غیر فعال خواهد بود.

اما زمانی که الکترولیت به صورت مذاب در آید، یونیزه می‌شود و هدایت الکتریکی بسیار زیادی پیدا می‌کند.

ابن عامل باعث می‌شود تا واکنش الکتروشیمیایی بین آند و کاتد برقرار شود و جریان الکتریکی در پیل تولید گردد.

این جریان توسط جمع کننده‌ها انتقال می‌یابد.

الکترولیت زمانی به صورت مذاب در می‌آید که تا دمایی بالاتر از نقطه ذوبش گرم شود.

این گرما از طریق منابع گرمایی موجود در لابلای پیلها تأمین می‌شود.

طبقه بندی پیلهای حرارتی

پیلهای حرارتی انواع گوناگونی دارند؛ اما می‌توان بطور کلی آنها را به دو دسته پیلهای لیتیومی و پیلهای کلسیومی تقسیم نمود.

طیف گسترده‌ای از مواد به منظور ساخت اجزای پیل مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ ولی نحوه انتخاب آنها باید به گونه‌ای باشد که بتواند بر حسب نیاز ، بهترین سطح ولتاژ و جریان را تأمین نماید.

در پیلهای لیتیومی از لیتیم و ترکیبات آن و در پیلهای کلسیومی از کلسیم و ترکیبات آن برای ساخت قطعات اصلی پیل استفاده می‌گردد.

محدوده ولتاژ قابل تأمین توسط هر پیل در حدود 1.5 تا 3.5 ولت است.

پیلهای لیتیومی

آند

در این پیلها ابتدا از لیتیوم خالص به عنوان آند استفاده می‌شد؛ اما استفاده از این ماده مشکلاتی را به همراه داشت.

لیتیوم خالص بیش از اندازه فعال است و کار کردن با آن آسان نیست.

از طرفی دارای نقطه ذوب پایینی است و در دمای 181 درجه سانتیگراد ذوب می‌شود.

در نتیجه در درجه حرارت عملکرد پیل ، به صورت مذاب در می‌آمد و می‌تواند به سمت بیرون نشت پیدا کرده و باعث اتصال کوتاه شدن پیل می‌گردید.

به همین دلیل مجبور بودند لیتیوم مذاب را بوسیله یک قطعه اسفنجی مهار نمایند که این کار نیز مشکلاتی را به همراه داشت.

لذا دیگر از لیتیوم خالص برای اند استفاده نمی شود، بلکه از آلیاژهای لیتیوم مانند لیتیوم- آلومینیوم و لیتیوم - سیلسیوم برای این منظور استفاده می‌شود.

این کار مزایای زیادی دارد: از جمله اینکه نقطه ذوب را افزایش می‌دهد.

به گونه‌ای که در درجه حرارت عملکرد پیل ، آند می‌تواند پایداری حرارتی خود را حفظ نماید.

از سوی دیگر ساخت و کاربردی کردن آن آسانتر است.

بر طبق نمودار فازی لیتیوم - سیلیسیوم ، با افزایش درصد سیلیسیم در آلیاژ ، نقطه ذوب ترکیب حاصل افزایش می‌یابد.

بهترین حالت به ازای ترکیب 33 درصد لیتیوم و 67 درصد سیلیسیوم بدست می‌آید که دارای نقطه ذوب 760 درجه است.

اما از آنجا که مقدار لیتیوم موجود در این ترکیب کم ایست.

برای استفاده به عنوان آند چندان مناسب نیست.

برطبق نمودار ، ترکیب 44 درصد لیتیوم و 56 درصد سیلیسیوم مناسبترین آند است؛ چرا که دارای نقطه ذوب 730 درجه است و میزان فعالیت آن نیز به اندازه کافی می‌باشد. 

بر طبق نمودار فازی لیتیوم - سیلیسیوم ، با افزایش درصد سیلیسیم در آلیاژ ، نقطه ذوب ترکیب حاصل افزایش می‌یابد.

برطبق نمودار ، ترکیب 44 درصد لیتیوم و 56 درصد سیلیسیوم مناسبترین آند است؛ چرا که دارای نقطه ذوب 730 درجه است و میزان فعالیت آن نیز به اندازه کافی می‌باشد.

الکترولیت بطور معمول از نمکهای هالیدی فلزات قلیایی برای ساخت الکترولیت استفاده می‌شود.

این کار بخاطر قابلیت هدایت الکتریکی بسیار بالای این نمکها در حالت مذاب است.

نقطه ذوب هر یک از این نمکها بالاست.

در صورتی که الکترولیت باید دارای نقطه ذوب به نسبت پایینی باشد تا تأمین گرمای لازم برای رسیدن به نقطه ذوب آسان باشد.

به همین دلیل از ترکیب یوتکتیک دوگانه یا سه گانه این نمکها استفاده می‌شود.

ترکیب یوتکتیک به ترکیبی گفته می‌شود که کمینه نقطه ذوب را به ازای درصد معینی از اجزای تشکیل دهنده‌اش دارا باشد.

در پیلهای حرارتی بطور معمول از ترکیب یوتکتیک کلریدهای لیتیوم و پتاسیم به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود.

نقطه ذوب هر یک از این دو ماده به ترتیب 614 و 790 درجه سانتیگراد است.

در حالی که نقطه ذوب ترکیب یوتکتیک آنها برابر با 352 درجه سانتیگراد است.

در درجه حرارت عملکرد پیل ، الکترولیت به صورت مذاب در می‌آید و ممکن است به بیرون نشت پیدا کند و از آنجا که هادی است، می‌تواند باعث اتصال کوتاه پیل گردد.

به منظور جلوگیری از این پدیده ، مقدار معینی از ماده‌ای که نقطه ذوب بالایی داشته و از لحاظ شیمیایی نیز با اجزای پیل سازگار باشد را بدان می‌افزایند.

بطور معمول از اکسیدهای دیر گداز برای این منظور استفاده می‌شود.

در بیشتر پیلهای لیتیومی اکسید منیزیم بکار برده می‌شود که در واقع به عنوان یک چسب عمل می‌کند و در نقطه ذوب الکترولیت ، آن را به صورت خمیری شکل در آورده و از جاری شدن آن جلوگیری می‌کند.

کاتد طیف گسترده‌ای از مواد به عنوان کاتد در پیلهای لیتیومی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اما بیشتر از سولفیدهای فلزی نظیر سولفید آهن ، بی سولفید آهن ، سولفید مس و بی سولفید کبالت برای این منظور استفاده می‌شود.

مهمترین مشخصه مواد فعال کاتد این است که دارای پایداری حرارتی باشد تا در دمای عملکرد پیل دچار تجزیه یا تغییر فاز نشود.

از این مواد بی سولفید آهن بخاطر خواص الکتروشیمیایی مطلوب ، سهولت دسترسی و ارزان بودن ، بیشتر استفاده می‌شود.

بی سولفید آهن که نام تجارتی آن پیریت است به دو صورت طبیعی و سنتزی یافت می‌شود.

پیریت طبیعی خلوص بالایی ندارد، اما به روش سنتزی می‌توان به درجه خلوص بالای 99 درصد نیز دست یافت که این نوع پیریت را پیریت سنتزی می‌نامند.

استفاده از پیریت طبیعی به عنوان ماده فعال کاتد در پیلهای حرارتی بطور معمول مشکلاتی را به همراه دارد، زیرا ناخالصیهای موجود در آن ممکن است باعث بروز برخی واکنشهای ناخواسته گردد.

به همین دلیل قبل از استفاده باید آن را خالص کرد.

برای این منظور دو روش عمده وجود دارد که عبارتند از شناور سازی و استخراج جامد - مایع.

ناخالصیهای عمده‌ای که در پیریت طبیعی ممکن است وجود داشته باشد عبارتند از ناخالصیهای اکسید آهن ، ناخالصیهای اکسید آهن و سولفات آهن از فرآیند لیچینگ با حلال اسید اسید کلریدریک و برای حذف ناخالصیهای اکسیدهای فلزی از فرآیند لیچینگ با حلال اسید فلوئوریدریک استفاده می‌گردد.

در روش شناور سازی از حلال تترابرومو اتان استفاده می‌شود.

با انجام عملیات تخلیص ، درجه خلوص پیریت طبیعی به بالای 99 درصد رسیده و برای استفاده در پیلهای حرارتی آماده می‌شود.

پیلهای کلسیومی آند :در این پیلها ، آند از جنس فلز کلسیم خالص است.

آند و جمع کننده آن به هم متصل می‌شوند، که مجموعه این دو را دو فلزی می‌نامند.

برای اتصال آند بر روی جمع کننده و ساخت دو فلزی دو روش عمده وجود دارد.

در روش اول که بیشتر بکار می‌رود.

کلسیم به صورت ورق ساخته می‌شود و سپس به روش نقطه جوش یا سایر روشهای مکانیکی نظیر پرس ، پرچ و غیره به جمع کننده متصل می‌شود.

روش دوم لایه نشانی است.

برای لایه نشانی کلسیم بر روی جمع کننده ، از روش تبخیر تحت خلا استفاده می‌شود.

کاتد و الکترولیت در پیلهای کلسیومی از موادی نظیر کرومات کلسیم ، کرومات پتاسیم ، دی کرومات پتاسیم ، کرومات سرب و اکسید تنگستن به عنوان مواد فعال کاتد استفاده می‌شود.

از میان مواد یاد شده ، کرومات کلسیم بیشتری مصرف را دارد، اگر چه هدایت الکتریکی بالایی ندارد.

به همین دلیل در پیلهای کلسیومی از الکترولیت مجزا استفاده نمی‌شود، بلکه ترکیبی از مواد کاتد ، الکترولیت و پیوند دهنده بکار برده می‌شود که آن را دی ای بی می‌نامند.

ماده‌ای که به عنوان الکترولیت مصرف می‌شود.

همان ترکیب یوتکتیک کلریدهای لیتیوم و پتاسیم است که در پیلهای لیتیومی نیز بکار برده می‌شود؛ با این تفاوت که در اینجا به جای پیوند دهنده اکسید منیزیم از سیلکا استفاده می‌شود.

زیرا پیوند دهنده استفاده شده در پیلهای لیتیومی با واکنشهای شیمیایی صورت گرفته در پیلهای کلسیومی سازگار نیست.

شیوه عملکرد درجه حرارت عملکرد پیل بستگی به نوع الکترولیت استفاده شده دارد.

هر قدر الکترولیت مورد استفاده نقطه ذوب پایین‌تری داشته باشد، پیل زودتر شروع به کار خواهد کرد و زمان فعال شدن آن کوتاه‌تر خواهد بود.

پس از ذوب تا الکترولیت مجموعه واکنشهای الکتروشیمیایی بین آند و کاتد رخ می‌دهد.

این گرما توسط مواد پیروتکتیک اطراف و لابه‌لای پیلها تأمین می‌گردد.

برای آزاد شدن گرمای ناشی از سوختن این مواد باید یک زنجیره آتش فعال گردد.

برای این منظور ابتدا با اعمال یک پالس الکتریکی یا مکانیکی چاشنیهای باتری فعال می‌شود و مواد پیروتکنیکی موجود در اطراف پیلها بر اثر آن می‌سوزند.

این مواد که دارای سرعت سوزش بالایی هستند، سبب فعال شدن منابع گرمایی موجود در لابه‌لای پیلها می‌شوند.

گرمای ناشی از اشتغال این منابع به گونه‌ای محاسبه می‌گردد که بتواند عملکرد باتری را برای مدت زمان مورد نیاز تضمین نماید.

ساخت پیل برای ساخت پیل از فناوری پیلهای نازک استفاده می‌شود.

مطابق این روش هر یک از مواد مربوط به اجزای پیل به صورت یک قرص با ابعاد مورد نیاز و ضخامت کم ساخته می‌شوند.

با توجه به اینکه سطح ولتاژ پیلهای کلسیومی به میزان 0.5 ولت بالاتر از پیلهای لیتیومی است، لذا سامانه لیتیومی نیاز به تعداد پیلهای بیشتری دارد تا بتواند سطح ولتاژ معینی را تولید نماید.

از سوی دیگر در سامانه لیتیومی ، برخلاف سامانه کلسیومی ، باید یک لایه جدا کننده بین آند و کاتد بکار رود تا از واکنش مستقیم بین این دو و در نتیجه اتصال کوتاه شدن پیل جلوگیری نماید.

به همین دلیل ضخامت پیلهای لیتیومی افزایش می‌یابد.

لذا استفاده از فناوری پیلهای نازک می‌تواند امکان تولید پیل با کمترین ابعاد را فراهم سازد.

در این روش مواد اولیه که به صورت یک پودر با دانه بندی معین هستند، بوسیله روش پرس سرد به قرصهایی با ابعاد مورد نیاز تبدیل می‌شوند.

در روشهای پیشرفته‌تر از پرسهای هیدرولیک برای این منظور استفاده می‌شود.

قالب مورد استفاده برای ساخت هر یک از اجزای پیل بر مبنای ابعاد قرصها طراحی می‌شوند.

فشار اعمال شده برای پرس قرصها باید متناسب با ضخامت قرص و چگالی ظاهری آن باشد.

پس از ساخت قرصها ، با اتصال آنها می‌توان به یک پیل واحد دست یافت.

آزمایش پیل پس از ساخت پیل ، برای پی بردن به نحوه رفتار تخلیه آن و نیز برای اطمینان از عملکرد صحیح مواد شیمیایی و فرمولاسیون آنها و فرآیند آماده سازی ، لازم است نسبت به آزمایش پیل اقدام شود.

در صورتی که نتیجه آزمایش مثبت باشد، فرآیند ساخت مورد تأیید خواهد بود، در غیر این صورت باید تمامی مراحل ساخت و آماده سازی مورد بررسی قرار گیرد تا مشکل رفع گردد.

برای آزمایش پیل ، روشهای متعددی وجود دارد؛ اما بهترین روش زمانی بدست می‌آید که تعداد متغیرهای مؤثر کمینه گردد.

متغیرهایی که می‌توانند بر روی جریان خروجی پیل تأثیر داشته باشند عبارتند از: میزان فشار روی پیل ، دمای مرکز پیل ، مدت زمان جریان کشی ، شدت افزایشی دما ، شدت افت گرما ، مقدار مقاومت بار موجود در سر راه پیل ، دقت تجهیزات بکار رفته ، دقت کاربر و غیره.

جمع بندی پیلهای حرارتی به علت دارا بودن ویژگیهای منحصر به فرد و داشتن مزیتهای فراوان نسبت به سایر پیلهای الکتروشیمیایی ، مناسبترین عامل تولید کننده جریان الکتریکی برای کاربرد پیل سوختی مقدمه سری پیل سوختی جهت تولید انرژی با راندمان بهینه ، نیازمند تجهیزات جانبی بنام سیستم پیل سوختی است که شرایط بهینه عملکرد برای پیل سوختی ، شامل خلوص سوخت ، مقدار هوا و سوخت ورودی به سری پیل سوختی ، رطوبت گازها و مدیریت آب ، کنترل دما و نهایتا فشار گازها در سیستم و سری پیل سوختی را کنترل نمایند.

یک سیستم پیل سوختی را می‌توان به سه قسمت عمده شامل بخش سوخت رسانی (مبدل سوخت و سیستم ذخیره هیدروژن) ، بخش تولید انرژی شامل سری پیل سوختی و سیستم کنترل رطوبت ، فشار ، دما و دبی گازها و نهایتا بخش تبدیل انرژی که مربوط به فصل مشترک بین پیل سوختی و مصرف کننده برق جهت تبدیل جریان و ولتاژ برق به ولتاژ و جریان مناسب می‌باشد، تقسیم نمود.

متناسب با نوع پیل سوختی و کاربرد آن ، این سیستمها ساده و یا پیچیده می‌باشند، به عنوان نمونه در پیلهای سوختی نیروگاهی ، بخش مبدل سوخت که سوختهای فسیلی ، بیومس و یا ...

را تبدیل به هیدروژن خالص می‌نماید، بخش پیچیده و اصلی سیستم سوخت رسانی را تشکیل می‌دهد.

در مصارف خودرویی سیستم سوخت رسانی بنا به نوع زیر ساخت سوخت موجود می‌تواند دو شکل زیر را به خود بگیرد: تولید هیدروژن در خودرو با استفاده از مبدل سوخت تولید هیدروژن در خارج از خودرو و ذخیره هیدروژن در خودرو در صورتی که هیدروژن در جایگاه سوخت گیری تولید شود، سیستم ذخیره سوخت خودرو می‌تواند روشهای مختلفی از قبیل ذخیره هیدروژن در مخازن تحت فشار ، بکار گیری نانوتیوبها ، بکارگیری جاذبهای هیدرید فلزی ، بکارگیری هیدریدهای شیمیایی و ...

را شامل شود.

در صورت تولید هیدروژن در خودرو ، مبدل سوخت (بالاخص مبدل بنزین و متانول) قابل نصب بر روی خودرو بخش اصلی و پیچیده سیستم سوخت در خودرو را شامل می‌گردد.

بخش سوخت رسانی بخش سوخت رسانی در مولدهای نیرو گاهی پیل سوختی خود از قسمت های مختلفی از جمله راکتور مبدل سوخت، سیستم هوادهی، کمپرسور، مخازن تحت فشار و ...

تشکیل شده است.

راکتور مبدل سوخت که جزء اصلی در بخش سوخت رسانی نیرو گاهی می باشد، سوخت های هیدرو کربنی موجود را به گاز غنی از هیدروژن که خوراک پیل سوختی است تبدیل می کند.

مبدل سوخت در سیستم پیل سوختی خودروها، سیستم را کمی پیچیده می کند اما دارای این مزیت است که از سوخت هایی استفاده می کند که در زیر ساخت ها و شبکه های توزیع فعلی وجود دارند.

همانگونه که اشاره شد، هنگامی که سوخت هیدروژن خالص در خارج از خودرو تولید و در خودروها بار گیری شود، سیستم پیل سوختی بسیار ساده تر خواهد گردید.

مبدل سوخت دانسیته کم انرژی هیدروژن در حالت گاز، کاربرد هیدروژن را به عنوان حامل انرژی با مشکل روبرو می سازد.

بدین معنی که نسبت به سوختهای مایع همچون بنزین یا متانول از انرژی کمی به ازای هر واحد حجم برخوردار است.

بنابراین بارگیری هیدروژن گازی (تحت فشار متوسط و پایین) به مقداری که برد حرکتی قابل قبولی را برای خودروی پیل سوختی تأمین نماید، کاری مشکل به نظر می‌رسد.

هیدروژن مایع از دانسیته انرژی خوبی برخوردار است (حدود 120.7 کیلو ژ ول به ازاء هر کیلوگرم) اما باید در دمای بسیار پایین ( 253 درجه سانتیگراد زیر صفر ) و فشارهای بالا ذخیره شود که این مسئله ، ذخیره سازی و حمل و نقل آن را مشکل می‌سازد.

سوختهای متداول همچون گاز طبیعی ، پروپان و بنزین و سوختهایی مانند متانول و اتانول ، همگی در ساختار مولکولی خود هیدروژن دارند.

با بکارگیری مبدل نصب شده بر روی خودرو (onboard) یا مبدلهایی که در محلهای سوخت گیری نصب می‌شوند، می‌توان هیدروژن موجود در این سوختها را جدا کرده و به عنوان سوخت در پیل سوختی مورد استفاده قرار داد.

بدین ترتیب مشکل ذخیره سازی هیدروژن و توزیع آن تقریبا بطور کامل رفع می‌شود.

کار مبدل سوخت فراهم آوردن هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی با استفاده از سوختهایی است که در دسترس بوده و حمل و نقل آن آسان می‌باشد.

مبدلهای سوخت باید توانایی انجام این کار را با حداقل آلودگی و بالاترین راندمان داشته باشند.

عملکرد مبدلهای سوخت به زبان ساده عبارت است از اینکه یک سوخت سرشار از هیدروژن را به هیدروژن و محصولات فرعی دیگر تبدیل نماید.

یکی از مشکلات مهم در زمینه ساخت مبدلها اندازه و وزن مبدل می‌باشد.

برای ارتقاء سطح بازده ، لازم است وزن و حجم مبدلها به ازای هر واحد انرژی الکتریکی حاصل از سیستم تا حد ممکن کاهش یابد.

به همین ترتیب ، هزینه ساخت مبدلها نیز باید پایین نگاه داشته شود تا گران بودن این فناوری مانع از تولید انبوه خودرو نشود.

دومین مشکل مهم در این زمینه میزان خلوص هیدروژن تولید شده از مبدلها است.

آلاینده‌هایی همچون مونوکسید کربن (و در بعضی از انواع سوخت ، سولفیدها) از محصولات فرعی فرآیند تبدیل هستند.

در این میان ، مقدار زیاد مونوکسید کربن می‌تواند موجب سمی شدن کاتالیست پیل سوختی شود.

از این رو لازم است قبل از ورود سوخت به درون پیل سوختی ، مونوکسید کربن آن حذف شود.

اگر چه انواع مختلفی از مبدلهای سوخت وجود دارند که اغلب از ترکیب فناوریهای مختلف حاصل گردیده‌اند، اما انواع اصلی مبدلهایی که در زمینه متداول هستند عبارتند از: مبدلهای با سیستم بخار (Steam Reformer) مبدلهای اکسیداسیون جزئی (Partial Oxidation Reformer) مبدلهای اتو ترمال (Auto thermal Reformer) اصول اولیه عملکرد هر یک از این فناوریها و فرآیندهای شیمیایی مربوط به آنها بطور مجزا به قرار ذیل می‌باشد: مبدل با سیستم بخار فرآیند تبدیل به کمک بخار یک فرآیند دو مرحله‌ای به صورت زیر است: در واکنش اول از اکسیژن موجود در بخار آب داغ (معمولا بیش از 500 درجه سانتیگراد) برای جدا سازی کربن از هیدروژن و تولید مولکولهای هیدروژن و اکسیدهای کربن استفاده می‌شود.

همزمان با این واکنش (بسته به دمای بخار) ، در واکنش دوم مونوکسید کربن به دی اکسید کربن تبدیل شده و بدین ترتیب هیدروژن بیشتری آزاد می‌شود.

مرحله تصفیه گاز خروجی از مبدل سیستم بخار بسیار اهمیت دارد، چرا که معمولا گاز خروجی از مبدلها خالص و عاری از مواد زائد نبوده و نمی‌توان آن را مستقیما به عنوان سوخت به درون پیل سوختی فرستاد.

این ناخالصیها عبارتند از: مونوکسید کربن و دی اکسید کربن ناشی از واکنشهای درون مبدل ، باقیمانده سوخت (مانند متانول یا بنزین) ، اکسیدهای نیتروژن ، اکسیدهای سولفور ، و ترکیبات آلی فرار که همه این ناخالصیها در حقیقت از سوخت اولیه ناشی می‌شوند.

از این رو ضروری است که جدا سازی این ناخالصیها از گاز خروجی نهایی مبدل ، صورت پذیرد.

بویژه در مورد جدا سازی مونوکسید کربن که سطح استاندارد برای پیلهای سوختی که در دمای پایین کار می‌کنند، کمتر از 10 ppm در نظر گرفته شده است تا بدین ترتیب از سمی شدن کاتالیست موجود در پیل سوختی بخصوص پیل سوختی پلیمری جلوگیری به عمل آید.

یک پیل سوختی جهت تولید انرژی با بازدهی بهینه ، نیاز به تغذیه مداوم سوخت و اکسید کننده ، خروج آب تولیدی از واکنش الکتروشیمیایی درون پیل ، مرطوب نگهداری غشاء توسط مرطوب نگه داشتن گازهای ورودی ، کنترل درجه حرارت و فشار دارد.

تجهیزات و امکانات جانبی که این شرایط بهینه را برای پیل سوختی فراهم می‌آورند، سیستم پیل سوختی نام دارند.

یک سیستم پیل سوختی را بطور کلی می‌توان به اجزای اصلی زیر تقسیم کرد: سیستم سوخت رسان که شامل مبدل سوخت و یا سیستم ذخیره هیدروژن می‌باشد.

سیستم تأمین هوا یا اکسید کننده که اکسیژن مورد نیاز پیل سوختی را فراهم می آورد.

سیستم مدیریت آب و حرارت که شامل سیستم مرطوب کننده گازهای ورودی ، سیستم خنک کننده ، سیستم و یا شیرهای کنترل فشار و نماگرها است.

الکترونیک – قدرت (Power Electronic) که مربوط به فصل مشترک بین پیل سوختی و مصرف کننده برق جهت تبدیل جریان و ولتاژ برق به ولتاژ و جریان مناسب می باشد.

سیستم کنترل الکترونیکی که کنترل دما ، فشار ، برق خروجی از پیل ، شارژ باتریهای ذخیره ، هماهنگی بین سیستم سوخت رسان و پیل سوختی و بخش Power Electronic را بر عهده دارد.

هر یک از این سیستمها می‌توانند بر عملکرد یکدیگر و بر سری پیل سوختی تأثیر متقابل داشته باشند.

همچنین متناسب با نوع پیل سوختی و کاربرد آن ، این سیستمها می‌توانند متفاوت باشند که در اینجا بطور مشروح به بررسی هر یک از آنها خواهیم پرداخت پیلهای سوختی برای وسایل قابل حمل الکترونیکی باتریها برای بسیاری از وسایل قابل حمل مانند کامپیوترهای کیفی و تلفنهای همراه وصله ناجورند.

آنها پر هزینه ، سنگین و مزاحم هستند و اغلب در بدترین مواقع به شارژ نیاز دارند.

پیشرفتهالی اخیر در فن آوری پیل سوختی ممکن است به حل این مشکل بینجامد.

چند گروه پژوهشی در حال ابداع "ریز پیلهای سوختی" هستند که به تلفنهای همراه امکان می‌دهد در حالت آماده برای هفته‌ها کار کنند.

پیلهای سوختی وسایل ساده‌ای هستند که اساسا از رساناهای نافلزی به نام الکترولیت که میان دو الکترود قرار می‌گیرند تشکیل شده‌اند.

هیدروژن از سوختی ، مانند متانول ، از درون الکترولیت جریان می‌یابد و با یک عامل اکسنده ، مانند اکسیژن هوا ، مخلوط می‌شود و از واکنش شیمیایی جریان الکتریکی بین دو الکترود برقرار می‌شود.

پیلها را می‌توان به سهولت و به سرعت با افزودن سوخت بیشتر دوباره پر کرد.

پیلهای سوختی به لحاظ محیطی نیز تمیزند، زیرا اصلی‌ترین فرآورده جنبی آنها ، آب حاصل از ترکیب هیدروژن و اکسیژن است، در حالی که باتریهایی که نهایتا از شارژ کردن مکرر فرسوده می‌شود، مسئله دفع دارند.

اکنون یکی از پژوهشگران آزمایشگاه ملی آلاموس یک ریز پیل سوختی اختراع کرده است و پیش بینی می‌کند که توان پیل او در اندازه و قیمت یکسان ولی از نصف وزن باتریهای نیکل - کادمیوم مرسوم 50 برابر بیشتر باشد.

این پژوهشگر پیش بینی می‌کند که تلفنهای همراه به این طریق با مصرف کمتر از 60 گرم متانول در حال آماده بطور پیوسته به مدت 40 روز کار کنند.

این اختراع بیشتر یک پیروزی مهندسی است تا یک اعجاب علمی.

در ساخت این پیل وی از روشهای جدید برای ساخت مدار الکترونی بهره جسته و آنها را در فن اوری پیلهای سوختی بکار گرفته است.

عامل کلیدی در بسته بندی است.

در حالی که غالب پژوهشگران با طراحی الکترولیت و الکترودها آغاز کردند، این پژوهشگر دریافت که بهترین راه رسیدن به کوچک سازی و تولید انبوه ، استفاده از یک فیلم نازک پلاستیکی به عنوان ظرف پایه برای پیلهای سوختی میکروسکوپی است.

غشای پلاستیکی به ضخامت تنها 25 میکرون با ذرات هسته‌ای بمباران می‌شود، به این ترتیب حکاکی شیمیایی سبب ایجاد منافذ ریزی می‌شود که محل ریختن الکترولیت مایع است.

صفحات فلزی الکترود ، کاتالیزگر و یک شبکه رسانش که پیلهای مجزا به هم متصل می‌کند با استفاده از روشهای عملی تراشه سازی مانند رسوب گذاری در خلا روی ساختار پلاستیکی ، لایه گذاری و حکاکی می‌شوند.

طبق نظر پژوهشگران "پیلهای سوختی اساسا مثل مدارهای چاپی ساخته می‌شوند".

استفاده از پیل های سوختی در تامین انرژی ساختمان ها پیل سوختی به عنوان یکی از مولدهای انرژی های نو که با فرایند الکتروشیمیایی توان تبدیل سوخت را به طور مستقیم به الکتریسیته دارد و محصول جانبی آن فقط حرارت و آب است، راندمانی بالاتر از انواع دیگر تکنولوژی های تبدیل انرژی دارد.

ماهیت مدولار آنها همراه با توانایی آنها برای تولید الکتریسیته با شیوه ای تمیز و پر راندمان، آنها را رای گستره ای وسیع از کاربردها و بازارها جاذب ساخته است و میلیونها دلار در این تکنولوژی به امید اینکه بتوانند برای تأمین انرژی در کاربرهای ایستگاهی و متحرک مورد استفاده قرار گیرند، سرمایه گذاری شده است و انتظار میرود که در دو دهه آینده در ساختمانها از آنها استفاده شود و آنها بتوانند علاوه بر تولید الکتریسیته، انرژی سیستمهای گرمایشی، آب گرم کن ها و تهویه مطبوع را تأمین کنند.

پیل های سوختی انواع مختلفی دارند.

پیل های سوختی که امروزه برای تولید انرژی ایستگاهی که می توانند برای تأمین انرژی ساختمانها به کار گرفته شوند، استفاده می شود شامل پیل های سوختی اسید فسفریک،(PAFCs)، پیلهای سوختی پلیمری یا دارای غشاء مبادله کننده یون (PEMFCs) پیل های سوختی اکسید جامد (SOFCs) و پیل های سوختی کربنات مذاب (MCFCs) میباشد.

ازط میان اینها، پیل سوختی PEMFCs با دمای کارکرد 70 تا 90 درجه سانتی گراد و پیل سوختی SOFCs با دمای کارکرد 700 تا 1000 درجه سانتیگراد بیشترین سهم بازار را دارند.

این دو نوع پیل سوختی هدف اول تجاری سازی با ظرفیت ۱ تا ۱۰ کیلووات برای ساختمانهای مسکونی و ۲۵ تا ۲۵۰ کیلووات برای ساختمانهای تجاری می باشند.

در این مقاله، ابتدا انواع پیل سوختی و مزایا و معایب آنها تشریح شده و سپس مثالهایی از کاربرد آنها در ساختمانها ذکر خواهد گردید پیل های خورشیدی فیلم نازک در فناوری های کنونی، پیل های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون هستند و به روشی مشابه تراشه های رایانه ای تولید می شوند؛ در نتیجه نسبتاً گران و شکننده هستند.

به همین دلیل پس از سه سال توسعه، هنوز این فناوری ها نتوانسته اند جایگزین منبع اصلی تأمین انرژی شوند.

با این حال، استفاده از پیل های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی یا پلاستیکی با توجه به استفاده از مواد ارزان(عمدتاً مبتنی بر نانوذرات و پلیمرها)، نویدبخش به نظر می رسد.

به غیر از مسئله بازدهی، بزرگ ترین مانع کاربرد گسترده انرژی خورشیدی، هزینه بالای آن است.

از سال2004 قیمت سیلیکون پلی کریستال500 درصد افزایش داشته و پیش بینی می شود این روند طی سال های آینده ادامه داشته باشد، لذا اقتصاد پیل های خورشیدی سیلیکونی به شدت شکننده به نظر می رسد.

از سوی دیگر پیل های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی، روی یک زیر لایه پلیمری(که تولید و فرآوری آن ارزان است) تولید می شوند.

استفاده از زیر لایه انعطاف پذیر به این معنی است که می توان این پیل ها را طی فرآیند فرآوری لوله ای(که بیشتر شبیه چاپ روزنامه است تا یک کارخانه نیمه رسانای با خلا فوق العاده بالا) تولید کرده، هزینه تولید را به میزان بسیار قابل توجهی کاهش داد.

در این روش، فرآوری این پیل ها در یک مرحله پیوست، جایگزین چند مرحله جدا و متوالی می شود و با توجه به انعطاف پذیری این پیل ها، می توان در مواردی که امکان استفاده از پانل های خورشیدی سیلیکونی وجود ندارد (مثلاً اتوموبیل ها) آنها را به کاربرد.