مرجع: پیل سوختی

[M!Zare 48037]

پیل سوختی کربنی مستقیم

 

پيل‌سوختي كربني مستقيم (dcfc) يكي از انواع پيل‌سوختي مي‌باشد كه مواد غني از كربن را به عنوان سوخت مصرف مي‌نمايد. اين پيل با تركيب كربن و اكسيژن توليد انرژي نموده و دي‌اكسيد‌كربن را به صورت محصول جانبي آزاد مي‌‌نمايد. بازده اين دسته از پيل‌هاي‌سوختي تقريباً 70% (دو برابر كارآمدتر از واكنش احتراق معمول) مي‌باشد.

 

علي‌رغم توليد دي‌اكسيدكربن، پيل‌سوختي كربني مستقيم نسبت به روش‌هاي احتراق كربن با محيط زيست سازگاري بالاتري دارد. علاوه‌ بر آن به دليل كارآيي بيشتر اين پيل‌ها، براي توليد مقادير يكسان انرژي، نياز كمتري به كربن وجود دارد. كربن مورد استفاده مي‌تواند به صورت كك، زغال، خاكستر يا يك منبع غير فسيلي كربن باشد. به دليل موقعيت بالاتر شارژ اتم‌هاي كربن، چگالي جريان در آند كربن در مقايسه با مولكول‌هاي گاز هيدروژن دو برابر مي‌شود.

 

سه نوع dcfc وجود دارد:

• نوع اول: بر مبناي مفهوم پيل‌سوختي اكسيدجامد (sofc)؛

• نوع دوم: بر ميناي مفهوم پيل‌سوختي كربناتي مذاب (mcfc)؛

• نوع سوم: طراحي پيل‌سوختي اكسيد جامد آندي قلع مذاب، كه قلع مذاب و اكسيد قلع را مصرف مي‌نمايد تا واكنش اكسيداسيون كربن حل شده در آند و كاهش اكسيژن در كاتد جامد را انجام دهد.

[M!Zare 48037]

پیل سوختی الکتروگالوانی

 

پيل‌سوختي الكتروگالواني، يك دستگاه الكتريكي مي‌باشد كه براي اندازه‌گيري غلظت گاز اكسيژن در تجهيزات غواصي و پزشكي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

زماني كه هيدروكسيد پتاسيم موجود در سل،‌ در تماس با اكسيژن قرار مي‌گيرد، واكنشي شيميايي روي داده كه اين واكنش ايجاد يك جريان الكتريكي بين آند سربي و كاتد با روكش طلا از ميان مقاومت بار، مي‌نمايد. ولتاژ توليد شده اين جريان متانسب با غلظت اكسيژن موجود است.

 

اين پيل‌ها براي تعيين نسبت اكسيژن در نيتروكس يا گاز تنفسي تريميكس در آناليزگرهاي اكسيژن موجود در وسايل غواصي، قبل از شروع عمليات غواصي، مورد استفاده قرار مي‌گيرند. همچنين از آن‌ها براي نمايش فشار جزئي اكسيژن در سيستم اكسيژن مدار بسته الكترونيكي، در حين غواصي استفاده مي‌شود.

 

پيل‌هاي‌سوختي الكتروگالواني، زمان عمر محدودي دارند كه اين زمان با قرارگيري در غلظت‌هاي بالاي اكسيژن كاهش مي‌يابد به اين صورت كه واكنش صورت گرفته بين اكسيژن و سرب در آند، موجب مصرف سرب شده كه در نهايت باعث عدم تشخيص غلظت‌هاي بالاي اكسيژن مي‌شود. معمولاً پيل مورد استفاده براي كاربردهاي غواصي اگر در يك كيسه هوايي عايق قرار گيرد، مي‌تواد به درستي 3 سال كار نمايد ولي در غير اين صورت با قرارگيري در اكسيژن خالص تنها 4 ماه كار مي‌كند.

[M!Zare 48037]

تصویر اول: PEM

پیل سوختی غشا پلیمری

 

[spow 44197]

پيل های سوختی

 

 

ماشيني كه از اگزوزش به جاي دود فقط آب خارج مي شود. اين جمله را شايد بارها قبل از اين شنيده يا خوانده باشيد. مي خواهم شما را كمي با اين موضوع آشنا كنم. راستش را بخواهيد همه ماشينها يي كه از موتورهاي احتراقي برخوردارند از اگزوزشان آب خارج مي شود ( بصورت بخار) ولي مشكل اين ماشينها در درجه اول به خاطر حضور كربن در سوختهاي مصرفي آنهاست كه در بهترين حالت توليد گاز كربنيك كرده كه مقدار زياد آن در كره زمين باعث بروز مشكلات زيست محيطي زيادي مثل گرم شدن كره زمين شده است، و در صورت ناقص سوختن توليد منوكسيد كربن كرده كه گازي بسيار كشنده است. و مشكل دوم آنها راندمان كم و آلودگي صوتي است. يكي از راههاي حل مشكل اول حذف هيدروژن از سوختهاست و بالطبع آخرين حد اين حذف گاز هيدروژن خواهد بود. يعني اگر ماشيني به جاي بنزين يا گاز طبيعي از هيدروژن استفاده كند از اگزوزش فقط آب ( به شكل بخار) خارج خواهد شد. اين ايده مدتيست كه مورد توجه خودروسازان است ولي اين آن داستاني نيست كه مي خواهم برايتان تعريف كنم.

تقريبا سي سال است كه به طور جدي روي منابع جديد توليد انرژي الكتريكي يعني پيلهاي سوختيfuel cell سرمايه گذاري و مطالعه شده است. اين ژنراتور ويژگيهاي منحصر به فردي دارند مثلا توان الكتريكي كه توليد مي كنند در مقايسه با وزنشان از همه منابع انرژي بيشتر است. ( به جز سوخت هسته اي) آنها هيچ صدايي ندارند، و از همه جالبتر راندمان آنها در بدترين حالت چند برابر ژنراتورهاي فعلي در بهترين حالتشان مي باشد. و يك ژنراتور آن اگر سوخت مسموم كننده به آن وارد نشود و يا آسيبهاي فيزيكي به دستگاه وراد نشود يك عمر كار ميكند ( ان شاء ا... 100 سال عمر كنيد و حتي بيشتر!). اين ژنراتور به طور مستقيم انرژي شيميايي سوخت ( مثل هيدروژن ، گاز طبيعي و يا الكلها) را به انرژي الكتريكي تبديل مي كند و طي اين تبديل ما با سيكل كارنو مواجه نخواهيم بود يعني راندمان ما به كمي ماشينهاي حرارتي فعلي نخواهد شد. اين تبديل با كمك كاتاليزورهاي گران قيمت پلاتين انجام ميشود و در واقع اين كار در يك سل الكترو شيميايي انجام مي شود. در سمت كاتد اين سل الكتروشيميايي سوخت مثل هيدروژن در حضور پلاتين اكسيد شده و حاصل اين اكسيداسيون توليد يون هيدروژن (H+) و الكترون است . الكترون از طريق سيم و پروتون از طريق الكتروليت به سمت الكترود كاتد مي روند. در كاتد اكسيژن هوا با الكترون و پروتون ( ارسالي از سمت آند) تركيب شده ( البته حضور پلاتين لازم است) و محصول واكنش كاتدي آب است. واكنش احياي اكسيژن كه در كاتد اتفاق مي افتد، مشكل اصلي سر راه اين تكنولوژي است؛ واكنشي كه تك تك سلولهاي موجودات هوازي قادر به انجام آن هستند. نتيجه كلي كار همان الكتروني بود كه از سيم منتقل شد، اين الكترون يا همان جريان برق مي تواند يك ماشين را به حركت در آورد. از چاه آب بكشد و برق يك روستاي دور افتاده را تامين كند. در حاليكه هر سلول پيل سوختي در هر سانتيمتر مربع 1 تا 2 آمپر برق توليد مي كند و يك سري پيل سوختي با ابعاد يك باطري ماشين بيش از يك كيلو وات توان توليد مي كند .

خودرو سازان مهم دنيا هم اكنون شمارش معكوس خود را براي توليد خودروهايي كه به جاي موتورهاي احتراقي از پيلهاي سوختي استفاده مي كنند شروع كرده اند. تصور كنيد خياباني را كه پر از ماشين است و فقط صداي چرخها بر روي جاده از آن به گوش مي رسد و كف جاده هم خيس است چون از اگزوز ماشينها آب ( اين بار مايع ) خارج مي شود. مواد مورد نياز براي ساخت پيل سوختي كه مورد توجه خودرو سازان است عبارت است از پلاتين ، كربن و پليمري به نام نفيون كه از آن به عنوان الكتروليت استفاده مي شود. قيمت اصلي پيلهاي سوختي را همين نفيون دارد. و ساخت پيل سوختي نيز از تكنولوژي بالايي برخوردار است كه خوشبختانه در مراكز دانشگاهي كشور اين توانمندي در حال بلوغ است.

[EVF 5465]

اگه پیل سوختی واقعا تو خودرو کاربرد پیدا کنه عملا موتور احتراق در صنعت خودرو پروندش بسته میشه!

[M!Zare 48037]

تصویر دوم:tublar SOFC

پیل سوختی اکسید جامد لوله ای

 

 

[M!Zare 48037]

تصویر سوم :planar SOFC

پیل سوختی اکسید جامد مسطح

 

[M!Zare 48037]

تصویر چهارم: SOFC

پیل سوختی اکسید جامد

 

[M!Zare 48037]

تصویر پنجم: SOFC

پیل سوختی اکسید جامد

 

 

[M!Zare 48037]

تصویر ششم:Zinc-Air

پیل سوختی روی-هوا

 

[M!Zare 48037]

تصویر هفتم:Zinc-Air

پیل سوختی روی-هوا

 

 

[M!Zare 48037]

یکی از مسائل مهم در بررسی و مدلسازی یک پیل سوختی نوع PEM تعادل آب و یا مدیریت آب در یک پیل سوختی است . غشاء (Membrane) برای رسانش خوب یون ها از آند به کاتد نیاز به رطوبت دارد . اگر مقدار رطوبت کم باشد پدیده خشکی (Dehydration) در آند رخ خواهد داد . این مسئله باعث افزایش مقاومت یونی غشاء و کاهش ولتاژ کارکردی پیل و در نتیجه کاهش توان تولیدی پیل خواهد شد . از طرف دیگر اگر مقدار اضافی آب در داخل پیل سوختی جمع شود پدیده طغیان (Flooding) در کاتد رخ خواهد داد . در اینصورت تخلخل (porosity) در الکترودها و لایه های نفوذ گازی (Gas Diffusion Layer) کاهش یافته و این مسئله باعث افت توان خروجی پیل خواهد شد .

[shahramg 547]

اگه پیل سوختی واقعا تو خودرو کاربرد پیدا کنه عملا موتور احتراق در صنعت خودرو پروندش بسته میشه!

 

با این حرفتون مخالفم. پیل سوختی همین الان هم کاربرد داره و نمونه هایی ساخته شده و حتی تولید انبوه هم شده. اما پرونده موتور احتراق داخلی به این زودی ها بسته نمیشه.

 

خودروی الکتریکی برای خودروهای داخل شهری خیلی بهتر از خودروی بنزینی عمل میکنه، حرفی توش نیست. اما از این نظر که هنوز منبع ذخیره انرژی الکتریکی بزرگی که از لحاظ چگالی انرژی و قابلیت اطمینان با باک بنزین قابل رقابت باشه نداریم، برای مسافرت و یا جاده های خیلی طولانی مناسب نیست.

 

چالش فعلی یکی منبع انرژی با چگالی انرژی بالاست و یکی هم قابلیت اطمینان اداوت الکترونیک قدرت بکار رفته و خود موتور الکتریکی. پیل سوختی هم در حال حاضر فکر کنم امید اول برای یه منبع انرژی مناسب باشه. موتور الکتریکی هم از لحاظ بازده، قابلیت کنترل و قابلیت تولید توان چندبرابر توان نامی برای مدت کوتاه خیلی نسبت به موتور بنزینی بهتره ولی همون موضوع منبع انرژی و قابلیت اطمینان دو تا از چالش هاییه که سر راه پیشرفت خودروی الکتریکی وجود داره.

 

فعلا خودروهای هیبریدی و پلاگین نسبت به جفت خودروهای بنزینی و الکتریکی برتری داره.

[shahramg 547]

من یک پروژه مربوط به پیل سوختی غشا پروتونی رو به زودی باید شروع کنم. امیدوارم بتونم اینجا کمک بگیرم از دوستان و شاید هم بالعکس.

 

ضمنا میخواستم بدونم در مورد تحقیقاتی که داره انجام میشه که از آب، هیدروژن بگیرن و اون رو توی پیل سوختی بسوزونن، چیزی میدونین؟

[EVF 5465]

با این حرفتون مخالفم. پیل سوختی همین الان هم کاربرد داره و نمونه هایی ساخته شده و حتی تولید انبوه هم شده. اما پرونده موتور احتراق داخلی به این زودی ها بسته نمیشه.

 

خودروی الکتریکی برای خودروهای داخل شهری خیلی بهتر از خودروی بنزینی عمل میکنه، حرفی توش نیست. اما از این نظر که هنوز منبع ذخیره انرژی الکتریکی بزرگی که از لحاظ چگالی انرژی و قابلیت اطمینان با باک بنزین قابل رقابت باشه نداریم، برای مسافرت و یا جاده های خیلی طولانی مناسب نیست.

 

چالش فعلی یکی منبع انرژی با چگالی انرژی بالاست و یکی هم قابلیت اطمینان اداوت الکترونیک قدرت بکار رفته و خود موتور الکتریکی. پیل سوختی هم در حال حاضر فکر کنم امید اول برای یه منبع انرژی مناسب باشه. موتور الکتریکی هم از لحاظ بازده، قابلیت کنترل و قابلیت تولید توان چندبرابر توان نامی برای مدت کوتاه خیلی نسبت به موتور بنزینی بهتره ولی همون موضوع منبع انرژی و قابلیت اطمینان دو تا از چالش هاییه که سر راه پیشرفت خودروی الکتریکی وجود داره.

 

فعلا خودروهای هیبریدی و پلاگین نسبت به جفت خودروهای بنزینی و الکتریکی برتری داره.

درود

من هم که زمان مشخص نکردم مهندس!

 

من یک پروژه مربوط به پیل سوختی غشا پروتونی رو به زودی باید شروع کنم. امیدوارم بتونم اینجا کمک بگیرم از دوستان و شاید هم بالعکس.

 

ضمنا میخواستم بدونم در مورد تحقیقاتی که داره انجام میشه که از آب، هیدروژن بگیرن و اون رو توی پیل سوختی بسوزونن، چیزی میدونین؟

برای این کار به مدیر سیالات مراجعه کنید.

[shahramg 547]

درود

من هم که زمان مشخص نکردم مهندس!

 

 

برای این کار به مدیر سیالات مراجعه کنید.

 

ممنونم از راهنماییتون.

 

البته منظور من از به این زودی ها این بود که یه معجزه ای مثل کشف برق! اتفاق بیفته. وگرنه روندهایی که الان داره جلو میره، بیشتر بهینه سازی و بهبود بازده و چگالی توان هست و فکر کنم این بهبودها هم بالاخره یک مرزی داره. و پیل سوختی فکر کنم از اینی که هست شاید 20-30 درصد از لحاظ چگالی انرژی بهتر بشه. زمینه هایی که بیشتر دارن رو کار میکنن افزایش چگالی انرژی نیست، زمینه های دیگه ست.

 

البته پیل سوختی همین الانش هم با چگالی توان خوبی که داره و همینطور بازه گسترده ای از توان که میتونه با بازده خوب کار کنه، خیلی پتانسیل های بالایی داره و تو خیلی از زمینه ها میتونه جایگزین بشه. کافیه یه نگاهی به نقشه راه کشورهای پیشرفته در زمینه پیل سوختی بندازین، خیلی دارن روش سرمایه گذاری میکنن. ولی اینکه کامل جایگزین بنزین و گازوییل بشه بنظر میره واس دور دور ها...

[M!Zare 48037]

من یک پروژه مربوط به پیل سوختی غشا پروتونی رو به زودی باید شروع کنم. امیدوارم بتونم اینجا کمک بگیرم از دوستان و شاید هم بالعکس.

 

ضمنا میخواستم بدونم در مورد تحقیقاتی که داره انجام میشه که از آب، هیدروژن بگیرن و اون رو توی پیل سوختی بسوزونن، چیزی میدونین؟

درود دوست عزیز

پیل سوختی از مباحث مشترک برق و مکانیک و شیمی و مهندسی مواد است ،اما هر کدام از دیدگاه خودشون این مساله رو بررسی میکنند،از بعد مکانیکی مساله هر سوالی بود من در خدمتم.

بله ،توسط الکترولیز ،آب رو به عناصر اولیه تجزیه کرده و از هیدروژن آن استفاده میکنند.

البته پیل سوختی های متفاوت سوخت های متفاوتی دارند،مثلا یکی هیدروژن،یکی متانول ،دیگری زینک...

[shahramg 547]

درود دوست عزیز

پیل سوختی از مباحث مشترک برق و مکانیک و شیمی و مهندسی مواد است ،اما هر کدام از دیدگاه خودشون این مساله رو بررسی میکنند،از بعد مکانیکی مساله هر سوالی بود من در خدمتم.

بله ،توسط الکترولیز ،آب رو به عناصر اولیه تجزیه کرده و از هیدروژن آن استفاده میکنند.

البته پیل سوختی های متفاوت سوخت های متفاوتی دارند،مثلا یکی هیدروژن،یکی متانول ،دیگری زینک...

 

خیلی ممنونم از لطفی که دارین. پس احتمالا مزاحمتون میشم در آینده. چون بنا بر شبیه سازی پیل سوختی هستش و هر سه جنبه برقی و مکانیکی و شیمیایی در کنار هم باید بررسی بشن.

 

در مورد سوالی که پرسیدم و لطف کردید جواب دادید هم ممنون. ظاهر قضیه که مشخصه، آب رو با برق الکترولیز میکنن و هیدروژنی که جدا شده رو توی پیل سوختی دوباره میسوزونن. مساله اینه که اگر حتی تمام مراحل کار با بازده 100% انجام بشه، که نمیشه، همون انرژی الکتریکی که صرف الکترولیز شد رو از خروجی پیل سوختی تحویل میگیریم. احتمالا یه سری مسائل دیگه ای هم پشت این قضایا هست.

 

اشتباه میکنم؟

[M!Zare 48037]

خیلی ممنونم از لطفی که دارین. پس احتمالا مزاحمتون میشم در آینده. چون بنا بر شبیه سازی پیل سوختی هستش و هر سه جنبه برقی و مکانیکی و شیمیایی در کنار هم باید بررسی بشن.

 

در مورد سوالی که پرسیدم و لطف کردید جواب دادید هم ممنون. ظاهر قضیه که مشخصه، آب رو با برق الکترولیز میکنن و هیدروژنی که جدا شده رو توی پیل سوختی دوباره میسوزونن. مساله اینه که اگر حتی تمام مراحل کار با بازده 100% انجام بشه، که نمیشه، همون انرژی الکتریکی که صرف الکترولیز شد رو از خروجی پیل سوختی تحویل میگیریم. احتمالا یه سری مسائل دیگه ای هم پشت این قضایا هست.

 

اشتباه میکنم؟

 

خواهش میکنم ...

 

انرژی رو میشه از سلول های خورشیدی و یا انرژی باد هم تهیه کرد.

[shahramg 547]

خواهش میکنم ...

 

انرژی رو میشه از سلول های خورشیدی و یا انرژی باد هم تهیه کرد.

 

خب چرا اونوقت تبدیلش کنیم به هیدروژن بعد دوباره به برق؟ اگه قرار باشه هیدروژن تولیدی ذ.خیره بشه و بعدا جای دیگه مصرف بشه، منطقیه. اما تا جایی که من میدونم، هدف اصلی این کار اینه که ش.ناورهایی که روی آ.ب حرکت میکنن مثل ک.شتی، ن.او و... دیگه هیدروژن رو ذ.خیره نکنن، به دلیل خطر ا.نفجار بالا، خصوصا در موارد ن.ظامی که این حساسیت بیشتر میشه. و هدف اینه که آنلاین هیدروژن تولید بشه و مصرف بشه.

 

اگه قراره از برق سلول خورشیدی یا باد استفاده بشه، خب یکسره بدنش به موتور، چرا یه ا.لکترولیز و سوختن وسطش بزارن که نصف انرژی اون وسط تلف بشه؟

 

جسارت نباشه، من خودمم خیلی دقیق وارد این موضوع نشدم هنوز و پست هام بیشتر جنبه سوال پرسیدن داره.