بيشترين انرژي مورد نياز ما از طريق احتراق زغال سنگ، گاز و نفت حاصل مي‌شود. با اين حال اين پر بازده ترين راه براي استخراج انرژي از سوخت‌ها نيست. پيل‌هاي سوختي به روش شيميايي با واكنش گازهاي هيدروژن و اكسيژن با هم آب، گرما و جريان الكتريسيته توليد مي‌كنند. کاربردهای فناوری نانو در بخش تولید و استفاده پیل سوختی عبارتند از: فرآیند اصلی پیل سوختی، ذخیره سازی هیدروژن و انرژی، استفاده پر بازده پیل سوختی و کاتالیستها.

فرآیند اصلی در پیل سوختی

مكانيزم توليد انرژي در ميان پيل‌هاي سوختي متفاوت است، اگرچه در هر مورد يوني باردار(كه معمولاً هيدروژن يا اكسيژن است) در يك الكترود توليد مي‌شود و از طريق غشاي مشخصي که يون ها را عبور مي دهد به الكترود ديگر انتقال مي يابد. الكترون‌هاي توليد شده در نتيجه اين انـتقال در مـداري خارجـي، بـرق دستگاه‌ها را تــامـيـن مي کنند. پيل‌هاي سوختي به دو دسته تقسيم مي‌شوند: آن‌هايي كه دماي فعاليت بالایی دارند( بالاتر از 200 درجه سانتي‌گراد) كه براي برق رساني به تمام ساختمان ها مناسبند (مثل پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد و كربنات مذاب) و واحدهاي کم دماتر كه براي برق رساني دستگاه‌ها و ابزار سيار مي‌باشند( مثل پيل‌هاي سوختي با غشاي تبادل پليمري و پيل‌هاي سوختي متانول مستقيم). واحدهاي پر حرارت مي‌توانند از گاز طبيعي استفاده كنند تا هيدروژن توليد كنند. واحدهاي کم دما به جز پيل‌هاي سوختي متانول مستقيم خودشان به گاز هيدروژن نياز دارند. در حال حاضر بيشترين توليد هيدروژن از گاز طبيعي مي‌باشد؛ با اين حال اميد مي رود که در آينده از انرژي‌هاي تجديدشدني براي توليد برق لازم براي الكتروليز آب به هيدروژن و اكسيژن استفاده شود (يعني برعکس واكنشي که يك پيل سوختي دارد). فناوري نانو مي‌تواند راه‌حل‌هايي براي هزينه مواد مصرفي، بازدهي پيل سوختي و ذخيره هيدروژن خروجي ارائه دهد.

ذخيره سازي هیدروژن و انرژی

هيدروژن اين ظرفيت را دارد که بدون تخريب طبيعت انرژي توليد کند ( اگر از منابع تجديدشدني مانند الكتروليز آب به‌دست آيد). هيدروژن براي جايگزين شدن سوخت‌هاي فسيلي مايع براي تأمين انرژي وسايل نيز مناسب است، هرچند مسئله کليدي حمل و نقل و ذخيره‌ ايمن آن خواهد بود، به شکلي كه بتواند معادل ميزان انرژي سوخت‌هاي فعلي را تأمين كند).

نانولوله هاي کربني مي توانند مولکولهاي هيدروژن را ذخيره کنند

برآورده شده است كه یک ماشين متوسط به طور ميانگين kg 2/1 هيدروژن براي 100 كيلومتر جابجايي نياز دارد (كه حدود 13500 ليتر از گاز هيدروژن را شامل مي‌شود). طبيعي است که هيچ فضايي براي ذخيره سازي اين هيدروژن وجود ندارد. اين کار حتي عملي هم نيست، چـون بـه ازاي هر ليترهيدروژن مقدار كمي انرژي حاصل مي شود و ذخيره هيدروژن به صورت مايع در ذخاير تحت فشار نيز عملي نمي‌باشد. همچنين نياز به سيستم هايي براي بستن مخازن و جلوگيري از نشت گاز هيدروژن است. با اين حال انتقال هيدروژن به صورت مايع مي تواند با همان زيربناي موجود در پمپ بنزين ها استفاده ‌شود.

خطرات ناشي از انفجار هيدروژن فکر ذخيره سازي حجمي آن را غير ممکن مي سازد.

براي ذخيره منابع در وسايل نقليه تنها راه عملي استفاده از هيدروژن به صورت ترکيبي جامد همانند هيدريد فلزات مي‌باشد. خيلي از مواد نانو ‌تا كنون آزمايش و ايجاد شده‌اند تا همين نقش را انجام دهند؛ نانولوله هاي كربني و فریم هاي آلي فلزي از اين دسته هستندكه بيشترين مساحت سطح را از هر ماده توليدي ديگر دارند. (يك گرم از آنها داراي سطحي معادل زمين فوتبال مي‌باشد)، نكته بسيار مهم اين است كه مساحت سطح بالاتر اجازه مي‌دهد كه مقدار زيادتري هيدروژن ذخيره شود. مساله ديگري كه بايد مورد توجه و بهبود قرار گيرد مقدار هيدروژني است که مي‌تواند توسط تركيب نگهداري و آزاد شود. بايد اطمينان حاصل شود که اين امر به سرعت انجام گيرد (پر کردن ماده ذخيره کننده در جايگاه‌هاي تجديد سوخت و خالي کردن آن براي نياز پيل‌هاي سوختي).

علاوه بر مباحث اصلي ذخيره هيدروژن بايد به مسائل جانبي مثل ايستگاههاي سوخت رساني نيز انديشيد.

استفاده پر بازده پیل سوختی

كارايي پيل سوختي هيدروژني به شكل‌گيري زياد و پربازده يون‌هاي باردار و همچنين اجازه عبور اين الکترون ها از يك الكترود انتخابي به الكترود ديگر بستگي دارد، که الکترون ها به اجباردر يک مدار خارجي وارد شده و جريان ايجاد مي کنند. الكترودها را مي توان با استفاده از مواد نانوساختاري كه مساحت سطح آنها را افزايش مي‌دهد تقويت نمود. اين امر ميزان يون‌هاي ايجاد شده طي زمان را در سطح الكترود افزايش مي‌دهد و اكسيژن و هيدروژن با يكديگر در الكترود ديگر تركيب مي‌شوند تا آب توليد كنند. در برخي از موارد غشا و الكتروليت در يک ماده خلاصه شده اند، در بقيه آن‌ها به صورت ساندويچي هستند که در اين حالت در هر دو طرف الکترودها غشا وجود دارد. كنترل نفوذپذيري و عملكرد شيميايي غشا با استفاده از تركيبي از مواد مختلف مي‌تواند انتقال يون‌هاي باردار را از يك الكترود به الكترود ديگر تسريع کند، در حالي که از شار الكترون‌ها و ترکيب با واکنش دهنـده ها و محصولات ديگر جلـوگيري ‌كند. ساخـت غشـا از مـواد مختلـف به آن اجازه مي دهد که در دماهاي مختلف کارايي بيشتري داشته باشد و يا طول عمر مفيد بيشتري داشته باشد( به خصوص در مورد پيل‌هاي سوختي كربنات مذاب که در دمايي بالا کار مي‌كنند).

کاتالیست ها

خیلی از واکنشهای شیمیایی تعیین کننده بازدهی یک سامانه انرژی هستند. حضور کاتالیست ها باعث تسریع در واکنش شده و بازدهی آن را افزایش می دهد. برخی نانوساختارها به سبب فعالیت سطحی بسیار بالا توانایی ایفای نقش کاتالیستی بالایی دارند، از این جهت کاتالیست ها و توسعه آنها بسیار مهم است. برای مثال یکی از روش های تولید نانولوله های کربنی از نانوکاتالیست برای ادامه واکنش استفاده می کند. در این روش کاتالیست نقش مستقیم در طول نهایی نانولوله دارد. در نانولوله های کربنی با طول بالا کاتالیست خاصی استفاده شده است.

کاتالیست در به دست آوردن طول زیادی از نانولوله ها نقش کلیدی دارد.