میهن فایل

چکيده :

با توجه به روند روبه‌رشد مصرف انرژي در جهان استفاده از روش‌ها و سيستم‌هاي جديد توليد انرژي با بازدهي بالا و آلايندگي پايين‌تر در اولويت قرارگرفته است. امروزه، با گسترش سيستم‌هاي مختلف توليد انرژي، روش‌هاي گوناگوني مانند استفاده از انرژي خورشيدي، انرژي باد، پيل‌هاي سوختي، ميكروتوربين‌ها و ديزل ژنراتورها موردتوجه قرارگرفته‌اند كه هرکدام از اين روش‌ها داراي مزيت‌ها و معايب مخصوص به خودند. داشتن يك سيستم توليد انرژي قابل‌اعتماد، کم‌هزينه و هميشه در دسترس استفاده از پيل‌هاي سوختي را به‌عنوان يك كانديداي مهم معرفي كرده است. پيل‌هاي سوختي يك مبدل انرژي شيميايي به انرژي الكتريكي هستند كه امروزه به‌عنوان يك فناوري جديد در توليد انرژي محسوب مي‌شوند. در اين پژوهش به مطالعه و بررسي پيل هاي سوختي و انواع آنها پرداخته شده است و تمرکز اين پژوهش بر پيل سوختي با غشا‌ء مبادله‌کن مي باشد. و در انتها به بررسي روش هاي اصلاح و ارتقاء کارايي غشاهاي تبادل پروتون پرداخته شده است .

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فهرست جدول‌ها ‌ج

فهرست شكل‌‌ها ‌د

فصل 1- انواع پيل هاي سوختي 1

1-1- مقدمه 1

1-2- پيل سوختي چيست؟ 3

1-3- تاريخچه پيل سوختي 10

1-4- معرفي انواع پيل سوختي 13

1-4-1- پيل‌سوختي اسيد فسفريك 16

1-4-2- پيل‌سوختي قليايي 19

1-4-3- پيل‌سوختي كربنات مذاب 21

1-4-4- پيل‌سوختي اكسيد جامد 24

1-4-5- پيل‌سوختي متانولي 27

1-4-6- پيل سوختي سراميکي پروتوني 29

1-4-7- پيل‌سوختي پليمري 30

فصل 2- شناخت فني پيل سوختي متانولي با غشا پليمر 34

2-1- اجزاي پيل‌‌‌‌سوختي متانولي 34

2-1-1- الکترود آند 34

2-1-2- روش تهيه لايه کاتاليست 37

2-1-3- الکترود کاتد 38

2-1-4- لايه نفوذ گاز 41

2-1-5- صفحات دو قطبي 42

2-2- تهيه MEA 45

2-3- فرآيند توليد سري پيل‌سوختي متانولي 47

2-4- سري‌هاي با صفحه دوقطبي 48

2-5- مجموعه غشا/الكترود 48

2-6- روش ساخت مجموعه غشا/الکترود 50

2-7- لايه‌هاي نفوذ گاز 52

2-8- صفحات دو‌قطبي 58

2-9- سيستم پيل سوختي 62

فصل 3- غشاهاي تبادل پروتون پيل سوختي نوع PEM 64

3-1- مقدمه 64

3-2- غشاهاي تبادل پروتون پيل سوختي 64

3-3- اصلاح غشاهاي تبادل پروتون در پيل سوختي 65

3-4- روش هاي تهيه غشاهاي تبادل پروتون اصلاح شده در پيل سوختي 65

3-5- انواع غشاهاي تبادل پروتون اصلاح شده در پيل هاي سوختي نوع PEM 67

3-5-1- غشاء نفيان اصلاح شده توسط انواع زئوليت ها 73

3-5-2- غشاء نفيان اصلاح شده توسط پليمرهاي هادي نظير پلي آنيلين 75

3-5-3- غشاء آلياژي نفيان اصلاح شده توسط sPEEK و پلي اکريلونيتريل (PAN) 79

3-5-4- غشاء نفيان اصلاح شده توسط مواد هادي پروتوني (هتروپلي اسيدها) 83

3-5-5- غشاء نفيان اصلاح شده توسط کمپلکس هاي پليمري اسيد - باز 84

3-6- جمع بندي 86

3-7- مراجع 88

فصل 4- منابع و مراجع: 91

فهرست مراجع 93

فهرست جدول‌ها

عنوان صفحه

جدول ‏1 1: مقايسه كلي بين پيلهاي سوختي آلي از نظر دماي كاركرد و بازده و توان توليدي [7] 32

جدول ‏3 1: ميزان جذب آب تئوري و ضخامت غشاهاي هيبريدي در حالات خشک (Td) و مرطوب (Tw) [6]. 70

جدول ‏3 2: اثر مقدار PAN روي IEC و نسبت هاي تورم غشاهاي کامپوزيتي [11]. 80

جدول ‏3 3: نفوذپذيري متانول غشاهاي کامپوزيتي sPEEK و PAN داراي وزن هاي مولکولي مختلف [ ۱۱]. 82

فهرست شكل‌‌ها

عنوان صفحه

No table of figures entries found.

شکل ‏1 1 شماي کلي يک سلول سوختي [1] 5

شکل ‏1 2: نماي كلي يك پيل‌سوختي به همراه گازهاي واكنش دهنده و توليد شده و مسير حركت يونها[1] 5

شکل ‏1 3: قسمتهاي اصلي يک پيل سوختي[1] 6

شکل ‏1 4: طرز کار پيل سوختي[1] 7

شکل ‏1 5: اولين پيل سوختي سر ويليام گرو [2] 11

شکل ‏1 6: پيل‌سوختي اسيد فسفريك [2] 17

شکل ‏1 7: پيل‌سوختي قليايي[5] 19

شکل ‏1 8: نحوه عملکرد يک پيل سوختي قليايي[5] 21

شکل ‏1 9: پيل‌سوختي كربنات مذاب [6] 22

شکل ‏1 10: نحوه عملکرد يک پيل سوختي کربنات مذاب 23

شکل ‏1 11 پيل‌سوختي اكسيد جامد [6] 25

شکل ‏2 1: اثر افزايش ميزان کاتاليست مورد استفاده در آند بر دانسيته جريان 37

شکل ‏2 2: اثر افزايش نسبت وزن کاتاليست به کربن در الکترود کاتد پيل‌سوختي متانولي 39

شکل ‏2 3: مقايسه عملکرد پيل‌سوختي متانولي با دو نوع کاتد متفاوت (پلاتين با بستر کربن و پلاتين سياه) 40

شکل ‏2 4 MEA يک پيل سوختي متانولي 46

شکل ‏2 5: مجموعه غشا/الكترود 49

شکل ‏2 6ساختار ساده شده و ايده‌ال الکترود پيل‌سوختي نوع پليمري ]7[ 52

شکل ‏2 7: بخشي از شکل 3-6 که بزرگنمايي شده است]7[. 53

شکل ‏2 8:2-8 مسيرهاي جريان گاز در صفحات دوقطبي يا در صفحات انتهايي/گيرنده‌هاي جريان 55

شکل ‏2 9 صفحات دو قطبي 56

شکل ‏2 10يك سري پيل سوختي متشكل از 3 پيل با 2 صفحه دو قطبي و 2 صفحه انتهايي 57

شکل ‏2 11استفاده از فلزات فوم شده در صفحات دوقطبي 62

شکل ‏3 1: اندازه گيريهاي ميزان جذب آب غشاهاي نانوکامپوزيتي در دماهاي الف) 90 و ب) 120 68

شکل ‏3 2: اندازه گيريهاي هدايت يوني غشاهاي نانوکامپوزيتي به ترتيب در دماهاي الف) 90 و ب) 120 [۳] 69

شکل ‏3 3: عملکرد پيل سوختي پيل واحد با انواع غشاها تحت شرايط الف) کاملاً مرطوب در دماي C ۸۰ و ب) خشک در دماي °C110 [ ۳ ] 70

شکل ‏3 4: هدايت هاي پروتوني غشاهاي نفيان (دايره)، نفيان - Lp مربع روشن) و نفيان - Lp-g مربع تيره) بر حسب رطوبت نسبي در دماي C ۲۵ [ ۶ ] 72

شکل ‏3 5: منحنيهاي پلاريزاسيون متناظر براي غشاء نفيان - ۱۱۵ (دايره) و غشاء هيبريدي نفيان -(Lp-g) ( مربع تيره) براي هر دو حالت شرايط عملياتي [ ۶]. 73

شکل ‏3 6: ريزساختارهاي SEM سطوح انواع پودرهاي زئوليتي الف ) NaA ب ) Mordenite ج ) ETS-10 و د ) Umbite [ ۸ ] 74

شکل ‏3 7: هدايت يوني انواع غشا هاي کامپوزيتي بر حسب دما در رطوبت نسبي ۱۰۰ درصد تا دماي 150 [۸]. 75

شکل ‏3 8: رفتار جذب حلال براي غشاهاي کامپوزيتي نفيان - پلي آنيلين در مقايسه با نفيان [ ۱۰]. 77

شکل ‏3 9: منحني هاي پلاريزاسيون پيل هاي سوختي متانول مستقيم با غشاهاي نفيان و کامپوزيتي در دماي 20 [۱۰]. 78

شکل ‏3 10: هدايت پروتوني بر حسب مقدار PAN در غشاء کامپوزيتي نسبت به نفيان – ۱۱۷ [۱۱]. 81

شکل ‏3 11: تصاوير SEM تغيير ريزساختار غشاهاي کامپوزيتي با افزايش مقدار PAN [ ۱۱ ] 82

شکل ‏3 12: منحنيهاي پلاريزاسيون پيل هاي سوختي با انواع غشاها در دماي پيل بترتيب ۶۰ و 80 [12]. 84

شکل ‏3 13: منحنيهاي پلاريزاسيون پيل هاي سوختي H2/O2 با انواع غشاها تحت شرايط کاملاً مرطوب و غيرمرطوب در 60 درجه [12]. 84

شکل ‏3 14: مکانيسم تشکيل کمپلکس اسيد – باز بين غشاهاي نفيان و PBI [13] 85

شکل ‏3 15: منحنيهاي پلاريزاسيون پيل سوختي حاوي غشاء کامپوزيتي PBI- H3PO4/Nafion در زمان هاي تست مختلف [13] 86

شکل ‏3 16: منحنيهاي عملکرد در جريان ثابت و ولتاژ مدار باز پيل سوختي حاوي غشاء الف ) H3PO4/Nafion-PBI و ب ) H3PO4/PBI [13] 86