Download
1 / 57
580 likes | 796 Views
University of Isfahan Faculty of Engineering Department of Mechanical Engineering Energy course Methanol Fuel Cell Prepared by: Hosein Farzaneh Email:hossein752farzaneh@gmail.com. مقدمه.
E N D
University of Isfahan Faculty of Engineering Department of Mechanical Engineering Energy course Methanol Fuel Cell Prepared by: Hosein Farzaneh Email:hossein752farzaneh@gmail.com
مقدمه • 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 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)
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
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)
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)
مزاياي پيل سوختي • حذفآلودگي ناشي از سوزاندن 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
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 • پيل سوختي امكان توليد برق مستقيم با كيفيت بالا را دارد. • دانسيته نيروي بالا
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
پیل سوختی متانولی • پیل سوختی متانولی همانند پیل سوختی غشا پلیمری است که درآن به جای استفاده از هیدروژن، از متانول به عنوان سوخت، استفاده می شود. • خواص: • متانول ساده ترین والکترواکتیوترین سوخت مایع آلی است. • می تواند در مقیاس کلان، با بازدهی وقیمت خیلی ارزان تر از سوختهای فسیلی نظیر زغال سنگ و گاز طبیعی تولید گردد. • فعالیتالکتروشیمیایی متانول به مراتب کمتر(حداقل سه مرتبه ) از هیدروژن است. • دمای بازآرایی آن حدود 200 درجه سانتی گراد است که بطور قابل ملاحظه ای کمتر از سایر سوخت های آلی نظیر گاز طبیعی و اتانول ( حدود 700 درجه سانتیگراد ) است.
بررسی ساختار متانول متانول یا متیل الکل یا الکل متیلیک یا الکل چوب که ساده‌ترین نوع الکل‌هاست با فرمول شیمیاییCH3OH شناخته می‌شود. متانول از فعالیت بی‌هوازی گونه‌های زیادی از باکتری‌ها تولید می‌شود و در نتیجه مقدار اندکی از بخار متانول وارد جو می‌شود و پس از چندین روز به‌وسیله اکسیژن و با کمک نور خورشید اکسید شده به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌گردد. البته در فرآیند سوختن متانول هم از نظر مواد بدست آمده چنین اتفاقی رخ می‌دهد ولی بسیار سریعتر. در ضمن شعله سوختن متانول بی‌رنگ است و باید مراقب باشیم تا با شعله آن دچار سوختگی نشویم. • متانول یکی از سوختهای اصلی مایع برای پیلهای سوختی متانولی است. از ویژگیهای مهم این سوخت نسبت به هیدروژن و آمونیاک، سادگی در ذخیره سازی، جابجائی، استفاده مجدد و نیز قابلیت اکسیده شدن مستقیم آن است. متانول در مقایسه با هیدروکربورهای زنجیره ای طویل، بسادگی قابل تبدیل به هیدروژن است.
بررسی ساختار متانول • در سال ۱۹۲۳ شیمیدان آلمانی ، "ماتیاس" پیر، متانول را از گاز سنتز (مخلوطی از CO و H2که از کک بدست می‌آید) تولید کرد. در این فرآیند، از کرومات روی به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شد و واکنش در شرایط سختی مانند فشار ۱۰۰۰-۳۰۰ اتمسفر و دمای حدود ۴۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‌گرفت. در شیوه مدرن تولید متانول، از کاتالیزورهایی استفاده می‌شود که در فشارهای پائین عمل می‌کنند و کارایی موثرتری دارند. امروزه گاز سنتز مورد نظر برای تولید متانول مانند گذشته از زغال بدست نمی‌آید، بلکه از واکنش متان موجود در گازهای طبیعی تحت فشار ملایم ۱۰-۲۰ اتمسفر و دمای ۸۵۰ درجه سانتیگراد با بخار آب و در مجاورت کاتالیزور نیکل تولید می‌شود. CO و H2تولید شده، تحت تاثیر کاتالیزوری که مخلوطی از مس و اکسید روی و آلومینیوم است، واکنش داده و متانول ایجاد می‌کنند. این کاتالیزور اولین بار درسال ۱۹۶۶ توسط ICI استفاده شد. این واکنش در فشار ۵۰-۱۰۰ اتمسفر و دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد صورت می‌گیرد. • روش دیگر تولید متانول، واکنش دی‌اکسیدکربن با هیدروژن اضافی است که تولید متانول و آب می‌کند
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 اتانول 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 • نحوه تغذيه متانول: • مستقيم • غير مستقيم: • تبديل متانول به هيدروژن • و سپس وارد کردن آن به پيل سوختي
بررسی انواع پیل سوختی متانولی • پیل سوختی متانولی غیر مستقیم(IDMFC) این نوع پیل سوختی با خروجی در حدود 500 وات تا 5 کیلو وات برای اهداف نظامی بویژه در خط مقدم جبهه طراحی و ساخته شده است. علت این امر، بی سروصدا بودن سیستم سبک بودن و قابل حمل بودن برای تولید انرژی الکتریکی است. در پیل سوختی متانولی غیر مستقیم جهت جلوگیری از کربناته شدن الکترولیت قلیائی، از الکترولیت اسید سولفوریک و یا اسید فسفریک استفادهمی کنند که تحمل اکسیدهای کربنی تولید شده از واکنش متانول با هوا و یا اکسیژن را دارند. در این نوع پیلها نیز جهت جلوگیری از خوردگی الکترودها، از فلزات نجیب مانند طلا و پلاتین که مقاوم در برابر خوردگی است استفاده می کنند.
بررسی انواع پیل سوختی متانولی • پیل سوختی متانولی غیر مستقیم در سه اندازه مختلف تولید شده که مشخصه های آنها در جدول 1، ارائه شده است.
بررسی انواع پیل سوختی متانولی • اجزای اصلی این پیل عبارتند از:
بررسی انواع پیل سوختی متانولی شکل 1 نمودار ساده پیل سوختی متانولی غیر مستقیم
بررسی انواع پیل سوختی متانولی • صفحات گرافیتی بین پیل ها با شیارهایی برای عبور گاز • دو الکترود گرافیتی با کاتالیت پلاتین سیاه که روی یک سطح الکترودها پوشانده شده است.
بررسی انواع پیل سوختی متانولی 2) پیل سوختی متانولی مستقیم DMFC)) • در سال 1981 جنرال الکتریک آمریکا مطالعه مهمی را جهت بکارگیری این نوع پیل در امرحمل و نقل انجام داده است. نتیجه مطالعات امکان سنجی نشان می دهد که پیل سوختی باالکترولیت پلیمر جامد SPE نامزد خوبی برای کاربردهای حمل و نقلی است. • تحقیقات در زمینه بکارگیری این نوع پیل بیش از سه دهه است که شروع شده و اهداف ذیلرا دنبال می کند:
مزایای پیل سوختی متانولی مستقیم مهمترین مزایای این پیل عبارتند از: • حذف تبخیرکننده سوخت و کنترل کننده های منبع حرارتی مربوطه • حذف مرطوب کننده پیچیده و سیستمهای تنظیم کننده حرارتی • استفاده دو منظوره از متانول و آب بعنوان سوخت و بعنوان توده موثر خشک کن • داشتن اندازه، وزن و دمای قابل ملاحظه کمتر نسبت به سیستمهای پیل سوختی موجود
معایب پیل سوختی متانولی مستقیم علل عدم توسعه یافتگی این پیل نسبت به سایر پیلها وجود مشکلات و معایبی بشرح ذیل است: • کاربرد الکترولیت اسیدی بجای الکترولیت قلیائی مشکلات دیگری نظیر خوردگی و سنتیک پایین الکترود هوا برای احیاء اکسیژن را در پی دارد. • کاربرد الکترود کاتالیستهای یکسان در الکترودهای آند و کاتد، ایجاد پتانسیلهای پیچیده در الکترودها و درنتیجه کاهش زیادی در بازدهی پیل می کند. این موضع در الکترود کاتد یک حالت ویژه است. جدا سازی الکترودها بوسیله غشاء جهت جلوگیری از اتصال کوتاه، مقاومت پیل را بیشتر و کارآیی پیل را کاهش می دهد. واکنش آند در مجاورت پتانسیل ترمودینامیکی ( حداقل در کاتالیستهای بکار رفته ) بسیار آهسته و کند است. بنابراین تلفات پتانسیل اضافی را بیشتر می کند.
معایب پیل سوختی متانولی مستقیم • امروزه کاتالیستهای بکار رفته برای آند کلاً محتوی مقدار زیادی پلاتین است. این کاتالیستها هم در اثر ناخالصی ها و هم محصولات حاصل از خود واکنش آندی، براحتی مسموم می شوند. • بررسی ها نشان می دهند اکسیداسیون متانول موجب جذب سطحی CO از سوی الکترودهای پلاتین می شود.
معایب پیل سوختی متانولی مستقیم • برای حل این مشکل دو روش وجود دارد: • در روش اول فقط الکترودهای pt-Ru و احتمالاًpt-Snفعالیت بیشتری نسبت به پلاتین خالص نشان می دهند. الیاژ pt-Ruبا تغییرمنفی منحنی های پلاریزاسیون و کاهش مسمومین الکترودها نسبت به پلاتین خالص، نامزد بسیار خوبی برای حل این مشکل است.
کاربردهای پیل سوختی متانولی • از این پیل بیشتر در کاربردهای حمل و نقل در خودروهای کوچک و اتوبوس ها استفاده می شود. • در نمودار زیر مقایسه ای از کاربرد سوخت های مختلف و میزان آلایندگی آنها آمده است.
