پیل سوختی

1. پیل سوختی

2. پيل سوختي يک وسيله الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي را به انرژي الکتريکي تبديل مي کند و از الكتروليت،الكترود آندوالكترود كاتدتشكيل شده است. مقدمه

3. تاريخچه • 1820ميلادي: ساخت پيل سوختي بسيار ساده توسط سر هامفري امکان توليد شوک الکتريکي بسيار ساده اي • 1839ميلادي: تحقيق در مورد روش اتصال سري - موازي کردن باطري روي پلاتينيوم توسط سر ويليام گرو • آزمايش توليد اکسيژن و هيدروژن از الکتروليز آب • مشاهده: اگر جريان منبع تغذيه قطع گردد جريان کوچک ولي قابل اندازه گيري در جهت مخالف جاري ميشود. • پديده پيل سوختي

4. روي- هوا (ZAFC) آلومينيوم – هوا (AAFC) منيزيم – هوا (MAFC) آهن – هوا (IAFC) ليتيم – هوا (LAFC) كلسيم- هوا (CAFC) اسيد فسفريك (PAFC) قليايي (AFC) كربنات مذاب (MCFC) اكسيد جامد (SOFC) متانولي (DMFC) پليمري (PFC)

5. تاريخچه انواع پيلهاي سوختي • پيل‌سوختي اسيد فسفريك: 1842 ميلادي: استفاده از اسيد به عنوان الکتروليت توسط گرو توجه: اسيد فسفريک يک رساناي ضعيف الکتريسيته بود و جذاب نبود، بنابراين نسبت به انواع پيل‌سوختي آهسته‌تر توسعه يافتند. • پيل‌سوختي قليايي: 1930 ميلادي:جايگزيني هيدروکسيدپتاسيم الکتروليت با اسيدسولفوريك توسط فرانسيس بيکن توجه: هيدروکسيدپتاسيم کارايي مشابه اسيد سولفوريك را دارد ولي خورنده الکترودها نمي باشد.

6. تاريخچه انواع پيلهاي سوختي (ادامه) • پيل‌سوختي اکسيد جامد: • 1965 ميلادي: توليد اولين سري پيل‌سوختي اكسيد جامد توسط آرچر • توجه: توان پيل 100 وات و الكتروليت آن زير‌كونياي پايدار شده توسط كلسيم و الكترودها از جنس پلاتين • پيل‌سوختي متانولي: • 1995 ميلادي:جديدترين فن‌آوري پيل‌سوختي در دهه اخير

7. اجزاي پيل سوختي و وظايف آنها • آند (الکترود سوخت):اکسيداسيون سوخت - ايجاد سطح مشترک براي سوخت و محلول الکتروليت - هدايت الکترونها از محل واکنش به سمت مدار خارجي • کاتد (الکترود اکسيژن): احياء اکسيژن - ايجاد سطح مشترک براي اکسيژن و الکتروليت - هدايتالکترونها را از مدار خارجي به سمت کاتد • الکتروليت - انتقال يکي از انواع يونهاي ايجاد شده در واکنش الکترودها - جلوگيري از عبور الکترونها - وظيفه جداسازي گاز

8. نحوه عملکرد پيل سوختي • هيدروژن به سمت آند هدايت مي شود و با از دست دادن الکترون به پروتون تبديل مي شود. • در کاتد هوا دميده مي شود تا اکسيژن مورد نياز مهيا شود. • اکسيژن الکترونها را از کاتد مي گيرد و به يون تبديل ميشود و در الکتروليت باقي مي ماند. • ماده سراميکي بکار رفته به يونهاي اکسيژن اجازه مي دهد تا از ميان آن عبور کنند. • پروتون با يون اکسيژن ترکيب مي شود و آب توليد مي کند و از طرف آند خارج مي شوند. • الکترونهاي توليد شده در اين واکنشاکسايش-کاهش باعث ايجاديک اختلافپتانسيل در دو سر پيل مي شوند. (مدار خارجي)

10. پيل سوختي اسيد فسفريک • الکتروليت:با غلظتي در حدود %100 • محدوده دماي كاركرد:بين 150 تا 220 درجه سانتيگراد • كاتاليست: پلاتين • ماتريس نگهداري اسيد: كاربيد سيليكون • توان:200 کيلووات • آزمايش: در واحدهايي با توان 11مگاوات • بازده الكتريكي:45%-40%

11. پيل سوختي قليايي • غلظت الكتروليت هيدروكسيد پتاسيم با دما تغيير مي‌کند. • محدوده دماي عملياتي: از 150 تا 220 درجه سانتيگراد • يك ماتريس متخلخل (از جنس آزبست) جهت نگهداري الكتروليت که محلول برپايه آب است. • الكتروكاتاليست: نيكل، نقره و اكسيد‌هاي ‌فلزات • بازده: درحدود %70 • طول عمر: بيش از 10000 ساعت • حساسيت زياد به CO2 • ارزاني کاتاليست

12. پيل سوختي کربنات مذاب • الكتروليت: تركيبي ازكربنات مذاب نمك‌ها درماتريسي از جنس LiAlO2 • دو نوع ترکيب پرکاربرد:ترکيب كربنات سديم و کربنات ليتيم ويا کربنات پتاسيم وکربنات ليتيم • دماي كاركرد: 600 تا700  درجه  سانتيگراد • آند: نيكل كاتد: اكسيد نيكل • بازده: حدود %60 درصد • حساسيت كمتر نسبت به مسموميت CO • پيچيدگي كار با الكتروليت مايع • نياز به تزريق CO2در كاتد براي جبران يون‌هاي كربنات الكتروليت مصرف شده در واكنش‌هاي آند

13. پيل سوختي اکسيد جامد • الكتروليت جامد سراميكي نازك به جاي الكتروليت مايع • محدوده دماي عملكرد: 600 -1000 درجه سانتيگراد • دو ساختار صفحه اي و لوله‌اي • طول عمر: بيش از 40000 ساعت • تنوع در سوخت مورد استفاده • امکان تبديل مستقيم سوخت‌ هيدروکربني بدون نياز به مبدل سوخت • راندمان بالا 60-45 درصد، در ترکيب با يک توربين 70% • امکان بکارگيري در مولدهاي توامان برق و حرارت

14. پيل سوختي پليمري • الكتروليت پليمري به شكل يك ورقه نازك منعطف • محدوده دماي عملکرد:در دماي پايين 80 درجه سانتيگراد • کاتاليست: پلاتين • نکته:احياء اكسيژن سه مرتبه كندتر از واكنش اكسيد شدن هيدروژن بنابراين، ميزان مصرفكاتاليست بيشتر از ساير انواع پيل‌سوختي • بازده‌ الكتريكي:  %50-40 • بدليل دماي پائين و نياز به زمان کم براي راه‌اندازي، كاربرد در وسايل نقليه

15. پيل سوختي متانولي • پيل‌سوختي متانولي در واقع نوعي پيل‌ سوختي پليمري است. • تفاوت: مصرف متانول مايع به عنوان سوخت • مشکل اصلي: عبور متانول از غشاء پليمري • تمرکز تحقيقات برروي الکتروليت‌هايي با ميزان عبوردهي کمتر • محدوده دماي عملکرد:50 تا 120 درجه سانتي گراد • دماي پائين عملکرد == مقادير بيشتري از کاتاليست براي فرآيند اکسيداسيون متانول به يون هيدروژن و دي‌اکسيدکربن == گرانتر شدن • سمي بودن متانول و جايگزيني اتانل بدليل دماي كم كاركرد و عدم نياز به مبدل سوخت، اين پيل را نمونه خوبي براي كاربردهاي کوچک و متوسط مي باشد.

16. نحوه عملکرد پيل سوختي متانولي • نحوه تغذيه متانول: • مستقيم • غير مستقيم: • تبديل متانول به هيدروژن • و سپس وارد کردن آن به پيل سوختي

17. مقايسه پيلهاي سوختي آلي

18. پيل سوختي فلزي • پيل‌سوختي فلز- هوا: • کاتد: الکترودنفوذگاز GDEآند: فلز (سوخت) • نکته:GDE يک غشاء تراوش‌پذير است که اکسيژن با فشار اتمسفريک را از خود عبور مي‌دهد. • تبديل اکسيژن به يون‌هاي هيدروکسيل و آب در کاتد • عبور يون‌هاي هيدروکسيل از الکتروليت و رسيدن به آند • واکنش يون‌هاي هيدروکسيل با فلز و تشکيل اکسيد فلز • آزاد شدن الکترونها و توليد پتانسيل الکتريکي

19. سيستم پيل سوختي • بخش سوخت رساني: • مبدل سوخت • سيستم ذخيره هيدروژن • بخش توليد انرژي: • سري پيل سوختي • سيستم کنترل رطوبت ، فشار، دما و دبي گازها • بخش تبديل انرژي: • فصل مشترک پيل سوختي و مصرف کننده برق (جهت تبديل جريان وولتاژ برق به ولتاژ وجريان مناسب مصرفي)

20. روشهاي توليد هيدروژن • الکتروليز آب • راديوليز آب • فوتوليز • تبديلBiomass • گاز طبيعي Reforming • اکسيداسيون جزئي نفت سنگين • گازي کردن زغال سنگ • ترموليز آب

21. کاربرد هاي پيل سوختي • کاربردهاي نيروگاهي نکته:توليد برق محلي (غير متمرکز) - استفاده از گرماي توليديجهت گرمايش و توليد بخار آب - کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق • حمل و نقل خودروهاي کوچک و پايانه‌هاي اتوبوس‌راني • پرتابل وسايل در محدوده تواني 15 الي 1000 وات، مانند تلفن‌هاي همراه، لپ تاپها • تجهيزات نظامي

22. مزاياي پيل سوختي • حذفآلودگي ناشي از سوزاندان سوختهاي فسيلي • تنها محصول جانبي:آب • وابسته نبودن به سوختهاي فسيلي متداول و حذف وابستگي كشورها • نصب پيلهاي سوختي نيروگاهي كوچك وگسترش شبكه غيرمتمركز نيرو • قابليت توليد همزمان برق و حرارت • راندمان بالاتر نسبت به سوختهاي فسيلي متداول • کاهش آلودگي صوتي • عمر طولاني تر نسبت به باتريهاي متداول

23. مزاياي پيل سوختي (ادامه) • امكانسوختگيري مجدد پيلهاي سوختي • نگهداري آسان بعلت عدم وجود اجزاي متحرك • مقرون به صرفه بودن نصب و بهره برداري • امكان استفاده از سوختهاي تجديدپذير و سوختهاي فسيلي پاك • پاسخ به تغيير بار الكتريكي • پيل سوختي امكان توليد برق مستقيم با كيفيت بالا را دارد. • دانسيته نيروي بالا

24. معايب پيل سوختي • مشكل اصلي: سوختگيري سختي توليد، انتقال، توزيع و ذخيره بعلت نبودن زيرساختها • كوتاهتر بودن برد و طولاني تري بودن زمان سوختگيري و استارت زدن خودروهاي پيل سوختي • سنگين تر بودن از باتريهاي متداول • نداشتن خط توليد و گراني توليد • استفادهاز مواد گرانقيمت در برخي پيلهاي سوختي

25. نتيجه گيری نياز روز افزون بشر به انرژي و افزايش مصرف انرژيهای فسيلي و ميزان توليد آلاينده هاي ناشي از آنها باعث توجه خاص به پيلهای سوختی شده است. بنابرين بايد موارد زير در نظر گرفته شود: • مباني تئوريك در خصوص چگونگي عملكرد پيلهاي سوختي • شناخت ابزار تكنولوژيك پيلهاي سوختي و مقايسه آنها • بررسي توامنديهاي داخلي در زمينه های مرتبط • بررسي شرايط خاص كاربرد مورد نظر • بيان روش حصول تكنولوژي نوع مورد نظر پيل سوختي • طراحي منجر به ساخت پيل سوختي مورد نظر