دانلود مقاله پیل های سوختی برای تولید برق

word قابل ویرایش
64 صفحه
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

پیل های سوختی برای تولید برق

چکیده
امروزه برای تولید انرژی الکتریکی که در خانه ها و وسایل نقلیه استفاده می شود ناگزیر به استفاده از تکنولوژی های جدید برای صرفه جویی بیشتر در انرژی هستیم.یکی از روشهای تولید انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell یا پیل سوختی است که از جهات بازده بیشتر برای تولید انرژی:آلودگی کمتر محیط زیست وعمر طولانی که دارند:بسیار مطلوبتر ازسایروسایل تبدیل انرژی مثل توربین گازی:موتور بنزینی وباتری هستند. پیل سوختی را میتوان وسیله ای دوستدار محیط زیست نامید :چرا که باتوجه به واکنشی

که در آن روی میدهد: تنها چیزی که از خود به جای می گذارد آب است( وقتی که سوخت آن هیدروژن باشد).اگر چه هیدروژن خالص یک سوخت عالی برای پیل سوختی است : اما تهیه :ذخیره سازی وتوزیع چنین سوختی به عنوان یک مسئله مطرح می شود. به عنوان یک راه حل عملی : پیشنهادمیشود:هیدروژنی که در پیل سوختی به کار می رود از واکنش رفرمینگ سوختهای در دسترس مثل متانول :گاز طبیعی :بنزین وگازوئیل تهیه شود.رفرمینگ بخار (SR) : اکسیداسیون جزئی (POX) ورفرمینگ Auto thermal (ATR) سه فرایند اصلی رفرمینگ برای تولید هیدروژن هستند.

یکی از مسایل مهمی که در پیل سوختی وجود دارد :خلوص هیدروژن است . حتی مقدارکمیCO در داخل هیدروژن (مثلا”بیشتر از ۱۰ppm ) شدیدا” باعث تخریب کاتالیست موجود در پیل سوختی می شود. یکی از روشهایی که می توان به وسیلهء آن COای که در گاز سنتزی ریفرمر تولید می شود را از بین برد :واکنش WGS است که با تبدیل CO به CO2 و H2 به خلوص بیشتر هیدروژن کمک می کند . واکنش WGS به صورت زیر انجام می شود:
CO2 + H2O CO + H2

از طرفی واکنش WGS بازگشت پذیر و گرماده است که هر دوی این موارد نامطلوب است . چون در دمای بالا واکنش به سمت تولید CO بر می گردد.به همین دلیل راکتورهای پر شدهء قدیمی که برای این واکنش در نظر گرفته می شوند: بسیار بزرگ وسنگین بودند. گونهء جدیدی از راکتورها که برای این منظور به کار می روند : راکتورهای با غشای سرامیکی هستند که می توانند میزان انجام واکنش را تا حد زیادی افزایش دهند ومحصول CO2 و H2 را به صورت جداگانه تحویل می دهند.

با توجه به واکنش WGS: برای پیشرفت واکنش به سمت تولید CO2 و H2می توان COرا به صورتی پیوسته از محیط واکنش خارج کرد:به عبارت دیگر می توان CO2 را بوسیلهء نوعی جاذب که در محیط واکنش قرار می گیرد: جذب کرد ودر نتیجه واکنش به سمت تولید بیشتر CO2وH2 پیش می رود و در واقع درجه ء تبدیل CO بهCO2 افزایش می یابد.بدین منظور طرحهایی بررسی شده است که در زیر به آنها اشاره می کنیم :طرح ۱ جذب افزایشی WGS در راکتور پر شده وطرح ۲ : شامل جذب افزایشیWGS در راکتور غشایی.در طرح ۱جاذب CO2(

hydrotalcite)را با کاتالیست واکنش WGS( Cu/Zno ) در یک بستر پرشده مخلوط کرده و اجازه داده ایم تا عملیات انجام شود.در طرح ۲ راکتور غشایی که غشا آن از نوع سل ژل است و نسبت به CO2و H2 انتخابگری دارد استفاده شد.جاذبی که برای جداسازی CO2 به کار میرود :در قسمت تراوای غشا قرار می گیرد.بنابراین هر دو محصول واکنش می توانند به وسیلهء غشا جدا شوند .در ضمن جذب CO2در قسمت تراوا می تواند درصد خلوص H2 را نیزافزایش دهد.

 

Hydrotalcite یک ماده جاذب خوب با بازگشت پذیری زیاد CO2 است که طبق آزمایشات انجام شده حتی بخار آب روی بازگشت پذیری آن تاثیری ندارد.فرمول شیمیایی آن به وسیلهء XRDکه روی آن انجام شد.
Mg0.645Al0.355(OH)2(CO3)0.178 0.105 (H2O) بدست آمد.
بنابراین وجود غشا در راکتور غشائی از مخلوط شدن واکنشگرها با محصولات واکنش جلوگیری می‌کند و همچنین وجود جاذب Hydrotalcite باعث افزایش جذب دی اکسید کربن و در نتیجه افزایش درصد خلوص هیدروژن می‌شود.

مقدمه
امروزه برای تولید انرژی الکتریکی که در خانه‌ها و وسایل نقلیه استفاده می‌شود، ناگزیر به استفاده از تکنولوژیهای جدید برای صرفه‌جویی بیشتر در انرژی هستیم. یکی از روشهای تولید انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell یا پیل سوختی است. پیل سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است.
یک پیل سوختی هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در طی این پروسه الکتریسیته تولید می‌کند. یکی از وسیله‌هایی که تا حد زیادی شبیه به پیل سوختی عمل می‌کند، باتری است. اما یک باتری با مصرف مواد شیمیایی ذخیره شده درونی‌اش و تبدیل آنها به انرژی الکتریکی سرانجام از بین رفته و تمام می‌شود و باید دور انداخته شود و یا دوباره شارژ شود.در یک پیل سوختی مواد شیمیایی دائماً درون سل‌های آن جریان دارد, بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی درون سلها ادامه دارد , Fuel cell از کار نمی‌افتد و جریان الکتریسته ایجاد می‌کند.

پیلهای سوختی از جهات بازده بیشتر برای تولید انرژی ، آلودگی کمتر محیط زیست و عمر طولانی‌ای که دارند بسیار مطلوب‌تر از سایر وسایل تبدیل انرژی مثل توربین گازی، موتور‌بنزینی و باتری هستند. پیل سوختی را می‌توان وسیله‌ای دوست‌دار محیط زیست نامید چرا که با توجه به واکنشی که در آن روی می‌دهد تنها چیزی که از خود به جای می‌گذارد آّب است (وقتی که سوخت آن هیدروژن است).

فرآیند شیمیایی که در پیل سوختی روی می‌دهد به صورت زیر است:
: آند
: کاتد
: واکنش کلی
این واکنش‌ روی کاتالیست انجام می‌شود تا واکنش هیدروژن و اکسیژن تسهیل گردد. این کاتالیست معمولا از پودر پلاتین که به صورت خیلی نازک روی ورقه‌ای از کربن پوشیده شده ساخته می‌شود سطح کاتالیست باید زبر و متخلخل باشد تا حداکثر سطح تماس را برای ما ایجاد کند.
اکسیژنی که در یک پیل سوختی بکار می‌رود به راحتی از هوا تأمین می‌شود اما اگر چه هیدروژن خالص یک سوخت عالی برای پیل سوختی است اما تهیه ذخیره سازی و توزیع چنین سوختی به عنوان یک مسئله مطرح می‌شود .
به عنوان یک راه‌ حل عملی، پیشنهاد می‌شود ، هیدروژنی که در پیل سوختی به کار می‌رود از واکنش رفرمینگ سوختهای در دسترس مثل متانول، گاز طبیعی، بنزین و گازوئیل تهیه شود.

رفرمنیگ بخار (SR) ، اکسیداسیون جزئی (POX) و رفرمینگAuto Thermal(ATR) به فرایند اصلی رفرمینگ برای تولید هیدروژن هستند. در SR بخار با هیدروکربن روی کاتالیست واکنش داده و را تولید می‌کند. این واکنش بسیار گرماگیر است و در دمای همراه با تولید مقدار زیادی گرما انجام می شود. رفرمینگ ATR هر دو واکنش بالا را با هم انجام می‌دهد و خوراک آن مخلوطی از هیدروکربن، آب و هواست که همزمان با هم وارد راکتور می‌شوند. واکنش SR گرمایی که در واکنش POX تولید می‌شود را مصرف می‌کند به طوریکه واکنش کلی کمی گرما زا است.
جدول ۱- ترکیب درصد syn gas مربوط به SR , ATR

ATR

SR
یکی دیگر از مسائلی که در پیل سوختی وجود دارد، خلوص هیدروژن است. حتی مقدار کمی از CO در داخل هیدروژن مثلا بیشتر از ppm 10 شدیداً باعث تخریب کاتالیست موجود در پیل سوختی می‌شود و این خود باعث پایین آمدن بازده پیل سوختی می‌شود. یکی از روشهایی که می‌توان به وسیله آن CO ای که در گاز سنتزی ریفرمر تولید می‌شود را از بین برد، واکنش WGS است که با تبدیل CO به به خلوص بیشتر هیدروژن کمک می‌کند. واکنش WGS به صورت زیر انجام می‌شود.

از طرفی واکنش WGS بازگشت پذیر و گرماده است که هر دوی این موارد برای ما نامطلوب است , چون در دمای بالا واکنش به سمت تولید CO بر می‌گردد. راکتورهای پرشده قدیمی که برای این واکنش در نظر گرفته می‌شدند, بسیار بزرگ و سنگین بودند و همچنین بازده مطلوبی نداشتند. گونه جدیدی از راکتورها که برای این منظور به کار می‌روند، راکتورهای با غشای سرامیکی هستند که می‌توانند میزان انجام واکنش را تاحد زیادی افزایش دهند و محصول را به صورت جداگانه به ما تحویل دهند. تحقیقات نشان داده شده است که با استفاده از این نوع راکتورها تبدیل CO تا % ۱۰۰ افزایش می‌یابد.

فصل اول

غشاء
کاربردهای بسیار زیاد غشاء، جایگاه مهمی در تکنولوژی شیمیایی پیدا کرده است، قدرت غشاء درکنترل میزان نفوذ گونه‌های شیمیایی از بین غشاء، خاصیت کلیدی آن به شمار می‌رود. در فرآیند‌های جداسازی، هدف، اجازه دادن به جزئی از یک مخلوط برای نفوذ آزادانه داخل غشاء است واین در حالی است که غشاء از عبور اجزاء دیگر جلوگیری می‌کند.
تاریخچه غشاء
تحقیقاتی که به صورت جدی روی غشاء انجام شد، توسط دانشمندان قرن ۱۸ صورت گرفت به عنوان مثال Abbe Nolet در سال ۱۷۴۸ واژه اسمز را برای نفوذ آب از بین یک دیافراگم به کاربرد. غشاها در بین قرنهای نوزدهم و بیستم کاربرد صنعتی یا تجاری نداشتند و تنها به عنوان تجهیزات آزمایشگاهی و برای انجام تئوری‌های فیزیکی/ شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. به عنوان مثال برای اندازه‌گیری فشار اسمزی محلول، در سال ۱۸۸۷ غشایی توسط Trauble & Pfeffer ساختند که با قانون وانت‌هوف (van’t Hoff ) کار می‌کرد و رفتار محلولهای خالص ایده‌آل را توضیح می‌داد. به عبارت دیگر این عملیات مستقیما به قانون وانت‌هوف منجر شد.
در همان زمان، نظریه غشای نیمه تراوای انتخابگر به وسیله ماکسول و دیگران (Maxwell & others) به منظور توسعه تئوری جنبشی گازها ارائه شد. محققین غشاهای نخستین، انواع دیافراگمهایی که در اختیار داشتند مثل مثانه خوک، گاو یا ماهی، و روکش سوسیهایی که از دل و روده حیوانات ساخته می‌شد را مورد آزمایش قرار دادند. بعدها غشاهای ساخته شده از کلودین (نیتروسلولز) (collodion) به دلیل اینکه به صورت تکثیری ساخته می‌شدند مورد توجه قرار گرفتند. بچهولد (Bechhold) در سال ۱۹۰۷ شیوه‌ای برای تهیه غشاهای

نیتروسلولزی با اندازه‌های درجه بندی شده‌ای برای منافذ ابداع کرد که باتست حباب انجام می‌شد . و دیگران به خصوص الفورد (Elford) ، بچمن و زیگموندی (Bachmann & zsigmondy) و فری (Ferry) روش بچهولد را ادامه دادند. در طی ۲۰ سال اخیر تکنولوژی تولید غشاهای micro filtration توسط پلیمرها مخصوصا استات سلولز گسترش پیدا کرده است. اولین کاربرد ویژه غشاها در آزمایش آب شرب در انتهای جنگ جهانی دوم بود. آب شرب برای استفاده در آلمان و قسمتهایی از اروپا که شکست خورده بودند تأمین می‌شد. و در آن زمان شدیدا به فیلترهایی برای آزمایش روی آب شرب نیاز بود.

محققین برای توسعه این فیلترها که به وسیله ارتش ایالات متحده مورد حمایت قرار می‌گرفت، تلاشهای زیادی را انجام دادند. ایالات متحده به اولین وبزرگترین تولید کننده غشاهای micro filtration در جهان فعالیت می‌کند. در ۱۹۶۰ اصول علم غشا توسعه پیدا کرده بود. اما غشاها تنها برای تعداد کمی از آزمایشگاهها و کاربردهای ویژه صنعتی کوچک مورد استفاده قرار می‌گرفتند. در آن زمان صنعت غشاهای ویژه وجود نداشت و فروش خالص‌نهایی غشاها برای همه کاربردهای صنعتی بیشتر از ۲۰ میلیون دلار امریکا در سال ۲۰۰۳ نبود. در کاربرد غشاها در فرایندهای جداسازی چهار مشکل وجود دارد:
۱- غیر قابل اطمینان بودن آنها
۲- سرعت کم
۳- گزینش پذیری کم
۴- قیمت بالا

حل هر کدام از این مشکلات در طی ۳۰ سال انجام شد. کشف اساسی که جداسازی غشایی را از یک کار آزمایشگاهی به یک فرایند صنعتی تبدیل کرد، فرایند لوب- سوریراژان
[Leob – Sourirajan] برای ساخت غشاهای اسمز معکوس anisotropic بدون نقص با شار بالا (high-flux) در سال ۱۹۶۰ بود. [۵]

این غشاها شامل یک فیلم سطحی انتخابگر بسیار نازک برروی یک سطح ضخیم تر هستند و با داشتن منافذی در مقیاس micro ( ) بسیار نفوذ پذیر می‌باشند و می‌توانند نیروی مکانیکی را تامین ‌کنند. شاراولیه غشای اسمز معکوس که توسط لوب – سوریراژان ساخته شده بود ۱۰ برابر بیشتر از غشایی بود که قبلا برای فرایند اسمز معکوس ساخته شده بود. کار لوب- سوریراژان و تحقیقات بسیاری از محققین و تقبل هزینه‌ها توسط وزارت داخلی امریکا و سازمان آبهای شور ((OSW) Office of Salive Water) به تجاری کردن فرایند اسمز معکوس انجامید و عامل مهمی در گسترش Ultra filtrtion وMicro filtration به شمار می‌رفت.

همچنین الکترودیالیز- به وسیله کمکهایی که از یافته‌های OSW گرفته شد- گسترش پیدا کرد. به طور همزمان با گسترش کاربردهای صنعتی غشاء، غشاها به طور مستقل برای فرایند‌های جداسازی در پزشکی به ویژه در ساخت کلیه مصنوعی گسترش پیدا کردند.

دبلیو. جی. کالف[W.J.Kolf] اولین موفقیت کلیه مصنوعی را در سال ۱۹۴۵ در نترلند Netherland)) نشان داد و تقریباً ۲۰ سال برای تکنولوژی فیلتراسیون در مقیاس بزرگ زمان صرف شد، اما این تحقیقات در سال ۱۹۶۰ کامل شد. از آن به بعد، استفاده غشاء در عضوهای مصنوعی اقدام مهمی در نجات جان انسانها به شمار می‌رفت. بیش از ۰۰۰/۸۰۰ نفر که هم اکنون کلیه مصنوعی دارند بر این مهم صحه می‌گذارند و هر سال بیش از میلیونها نفر تحت عمل جراحی قلب باز- با روشی که امکان اکسیژن دادن به خون به وسیله غشاء را فراهم می‌کند.- قرار می‌گیرند.

در دوره سالهای ۱۹۶۰ تا ۱۹۸۰ تغییرات چشمگیری در وضعیت تکنولوژی غشاء به وجود آمد. فرایندهای شکل‌گیری انواع دیگر غشا بر مبنای اصول روش لوب- سوریراژان شامل پلیمریزاسیون interfacial و ریخته‌گری کامپوزیتهای چند لایه و پوشش دهی آنها، به منظور ساخت غشاهای با عملکرد بهتر، توسعه پیدا کرد. استفاده از این فرایندها، ساخت غشاهایی با لایه‌های انتخابگر selective layers)) به ضخامت یاکمتر – که هم اکنون توسط تعدادی از کمپانی‌ها تولید می‌شوند- را به دنبال داشت. در سال ۱۹۸۰، میکروفیلتراسیون (microfiltration) ، آلترافیلتراسیون (ultrafiltration) ، اسمز معکوس (reverse osmosis) و الکترودیالیز electro dialysis)) ، فرآیندهایی بودند که در بسیاری از واحدها در سراسر

جهان انجام می‌شدند. تحول مهمی که در سال ۱۹۸۰ روی داد، ظهور غشاهای صنعتی درفرایندهای جداسازی گازها بود. اولین تحول بزرگی که در این زمینه انجام شد، غشایی بود که توسط مونسانتو پریسم Monsanto Prism]] در سال ۱۹۸۰ برای جداسازی هیدروژن ارائه شد. [۷] در ظرف چند سال دو (Dow) سیستمهایی برای جداسازی نیتروژن از هوا تولید کرد

و سینارا وسپارکس Cynara & Separex)) سیستمهایی برای جداسازی دی‌اکسید کربن از گاز طبیعی تولید کردند. تکنولوژی جداسازی گازها به سرعت رشد و گسترش پیدا کرد، علاوه بر اینکه رشد قابل توجهی در سالهای اخیر به چشم می‌خورد. آخرین پیشرفتها در سال ۱۹۸۰ به وسیله GFT که یک کمپانی کوچک مهندسی آلمانی بود انجام شد. در این کمپانی اولین سیستم Pervaporation تجاری برای هیدروژن زدایی الکلها به کار گرفته شد. بیش از ۱۰۰ واحد هیدروژن زدایی Pervaporation برای ایزوپروپانول و اتانول هم اکنون در حال نصب هستند.

انواع غشاء:
در واقع غشاء چیزی جز یک فصل مشترک نازک منفصل نیست که نفوذ گونه‌های شیمیایی را که با آن ارتباط دارد، تعدیل و کنترل می‌کند. این فصل مشترک ممکن است از نظر مولکولی همگن باشد، به عبارت دیگر ساختار و ترکیبی کاملا یکنواخت داشته باشد و یا اینکه از نظر فیزیکی یا شیمیایی ناهمگن باشد به عنوان مثال داشتن سوراخها و منافذ با اندازه‌های محدود و معین و یا داشتن ساختار متفاوت در لایه‌ها. یک صافی نرمال با این توضیحات غشا نامیده می‌شود. براساس قرارداد، فیلترها معمولا برای جداسازی سوسپانسیونهای خاصی که ذرات آنها بزرگتر از ۱ تا ۱۰ میکرومتر هستند، استفاده می‌شوند مهمترین انواع غشاها به صورت شماتیکی در شکل زیر نشان داده شده‌اند و به صورت خلاصه توضیح داده شده‌اند:

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 64 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد