Transcript ppt
پیل سوختی مقدمه پيل سوختي يک وسيله الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي را به انرژي الکتريکي تبديل مي کند و از الكتروليت ،الكترود آند و الكترود كاتد تشكيل شده است. تاريخچه • 1820ميالدي :ساخت پيل سوختي بسيار ساده توسط سر هامفري امکان توليد شوک الکتريکي بسيار ساده اي • 1839ميالدي :تحقيق در مورد روش اتصال سري -موازي کردن باطري روي پالتينيوم 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 انواع پيل سوختي پيل سوختي آلي اسيد فسفريك )(PAFC قليايي )(AFC كربنات مذاب )(MCFC اكسيد جامد )(SOFC پيل سوختي فلزي ) (ZAFCروي -هوا ) (AAFCآلومينيوم – هوا ) (MAFCمنيزيم – هوا ) (IAFCآهن – هوا متانولي )(DMFC ) (LAFCليتيم – هوا پليمري )(PFC ) (CAFCكلسيم -هوا تاريخچه انواع پيلهاي سوختي • پيلسوختي اسيد فسفريك: 1842ميالدي :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: 1930ميالدي :جايگزيني هيدروکسيدپتاسيم الکتروليت با اسيدسولفوريك توسط فرانسيس بيکن توجه :هيدروکسيدپتاسيم کارايي مشابه اسيد سولفوريك را دارد ولي خورنده الکترودها نمي باشد. تاريخچه انواع پيلهاي سوختي (ادامه) • پيلسوختي اکسيد جامد: 1965ميالدي :توليد اولين سري پيلسوختي اكسيد جامد توسط آرچر توجه :توان پيل 100وات و الكتروليت آن زيركونياي پايدار شده توسط كلسيم و الكترودها از جنس پالتين • پيلسوختي متانولي: 1995ميالدي :جديدترين فنآوري پيلسوختي در دهه اخير 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 هدايت الکترونها 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 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 واکنش اکسايش-کاهش باعث ايجاديک اختالف پتانسيل در دو سر پيل مي شوند( .مدار خارجي) الکتروليت قليايي الکتروليت اسيدي آند H2 + 2OH- H2O +2e H2 2H+ + 2 e کاتد ½ O2 + 2e + H2O 2OH- ½ O2 + 2H+ + 2e H2O واکنش کلي H2 + ½ O2 H2O H2 + ½ O2 H2O پيل سوختي اسيد فسفريک • الکتروليت :با غلظتي در حدود 100% • محدوده دماي كاركرد :بين 150تا 220درجه سانتيگراد • كاتاليست :پالتين • ماتريس نگهداري اسيد: كاربيد سيليكون • توان 200 :کيلووات • آزمايش: در واحدهايي با توان 11مگاوات • بازده الكتريكي%40-%45 : پيل سوختي قليايي • غلظت الكتروليت هيدروكسيد پتاسيم با دما تغيير ميکند. • محدوده دماي عملياتي :از 150تا 220درجه 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 10000ساعت حساسيت زياد به CO2 ارزاني کاتاليست پيل سوختي کربنات مذاب • الكتروليت :تركيبي ازكربنات مذاب نمكها درماتريس ي از جنس LiAlO2 • دو نوع ترکيب پرکاربرد :ترکيب كربنات سديم و کربنات ليتيم و يا کربنات پتاسيم وکربنات ليتيم • دماي كاركرد: 600تا 700درجه سانتيگراد كاتد :اكسيد نيكل • آند :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 پيل سوختي اکسيد جامد • الكتروليت جامد سراميكي نازك به جاي الكتروليت مايع • محدوده دماي عملكرد: 1000- 600درجه سانتيگراد • دو ساختار صفحه اي و لولهاي • طول عمر :بيش از 40000ساعت • تنوع در سوخت مورد استفاده • امکان تبديل مستقيم سوخت هيدروکربني بدون نياز به مبدل سوخت • راندمان باال 45-60درصد ،در ترکيب با يک توربين %70 • امکان بکارگيري در مولدهاي توامان برق و حرارت پيل سوختي پليمري • • • • الكتروليت پليمري به شكل يك ورقه نازك منعطف محدوده دماي عملکرد :در دماي پايين 80درجه سانتيگراد کاتاليست :پالتين نکته :احياء اكسيژن سه مرتبه كندتر از واكنش اكسيد شدن هيدروژن بنابراين ،ميزان مصرف كاتاليست بيشتر از ساير انواع پيلسوختي • بازده الكتريكي40-50% : • بدليل دماي پائين و نياز به زمان کم براي راهاندازي ،كاربرد در وسايل نقليه 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 120درجه 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. نحوه عملکرد پيل سوختي متانولي CH3OH + H2O ==> CO2 + 6H+ + 6e- واكنش آند 3/2 O2 + 6 H+ + 6e- ==> 3 H2O واكنش كاتد CH3OH + 3/2 O2 ==> CO2 + 2 H2O واكنش كلي پيل • نحوه تغذيه متانول: مستقيم غير مستقيم:تبديل متانول به هيدروژن و سپس وارد کردن آن به پيل سوختي مقايسه پيلهاي سوختي آلي اكسيد جامد پليمري اسيد فسفريك كربنات مذاب متانول قليايي الكتروليت سراميك غشاء تعويض يوال مايع اسيد فسفريك ثابت مايع كربنات مذاب ثابت غشاء، پليمري هيدروكسيد پتاسيم دماي عملياتي 1000 80 200 650 60-130 60-90 بازده 65تا %50 %40-60 %35-40 60تا %45 %40 60تا %40 بيش از 50 كيلووات بيش از يك مگاوات كمتر از 10 كيلووات تا 20كيلووات نيروگاهي نيروگاهي كاربردهاي قابل حمل زير درياي و فضايي تا 250 بيش از 200 توان توليدي كيلووات كيلووات وسايل نقليه نيروگاهي نيروگاهي كاربرد كوچك پيل سوختي فلزي پيلسوختي فلز -هوا: کاتد :الکترودنفوذگاز GDE آند :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 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 و ولتاژ برق به ولتاژ و جريان مناسب مصرفي) روشهاي توليد هيدروژن • الکتروليز آب • راديوليز آب • فوتوليز • تبديل Biomass • گاز طبيعي Reforming • اکسيداسيون جزئي نفت سنگين • گازي کردن زغال سنگ • ترموليز آب کاربرد هاي پيل سوختي • کاربردهاي نيروگاهي نکته :توليد برق محلي (غير متمرکز) استفاده از گرماي توليدي جهت 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 15الي 1000وات، مانند تلفنهاي همراه ،لپ تاپها • تجهيزات نظامي مزاياي پيل سوختي • حذف آلودگي ناش ي 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 باالتر نسبت به سوختهاي فسيلي متداول • کاهش آلودگي صوتي • عمر طوالني تر نسبت به باتريهاي متداول مزاياي پيل سوختي (ادامه) • امكان سوختگيري 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 باال را دارد. • دانسيته نيروي باال معايب پيل سوختي • مشكل اصلي :سوختگيري سختي توليد ،انتقال ،توزيع و ذخيره بعلت نبودن زيرساختها • كوتاهتر بودن برد و طوالني تري بودن زمان سوختگيري و استارت زدن خودروهاي پيل سوختي • سنگين تر بودن از باتريهاي متداول • نداشتن خط توليد و گراني توليد • استفاده از مواد گرانقيمت در برخي پيلهاي سوختي نتيجه گيری نياز روز افزون بشر به انرژي و افزايش مصرف انرژيهای فسيلي و ميزان توليد آالينده هاي ناش ي 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 • بررس ي توامنديهاي داخلي در زمينه های مرتبط • بررس ي شرايط خاص كاربرد مورد نظر • بيان روش حصول تكنولوژي نوع مورد نظر پيل سوختي • طراحي منجر به ساخت پيل سوختي مورد نظر