پاورپوینت معرفی پیلهای سوختی و مزایا و معایب آنها

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

دانشگاه آزاد اسلامی واحد بهشهر
پروژه کاربرد انرژی های تجدید پذیر
عنوان:
پیل های سوختی

اسلاید 3 :

فصل اول معرفی پیلهای سوختی و مزایا و معایب آنها

مقدمه:

از نظر منابع انرژی، بشر تاکنون چهار عصر را پشت سر گذاشته است. عصر اول، عصر «زیستتوده» است که در طی آن، انرژی مورد نیاز بشر از طریق سوزاندن شاخ و برگ درختان تأمین می شده است. با کشف زغال سنگ و خواص احتراقی آن، بهره برداری از این ماده به عنوان یک منبع تولید انرژی حرارتی توسعه فراوانی یافت. با کشف نفت و شناخت مزایای آن نسبت به زغال سنگ، به ویژه در حوزه حمل و نقل، به تدریج بهرهگیری از زغال سنگ کاهش یافت و نفت خام جایگزین آن شد، تا جاییکه در فاصله زمانی کوتاهی بخش اعظم انرژی مورد نیاز بشر از نفت خام و مشتقات آن تامین میگردید. اما در اثر احتراق نفت، گاز دیاکسید کربن تولید میشود که یک گاز گلخانهای بوده و سبب آب شدن یخها و در نهایت، گرم شدن هوا خواهد شد. از این رو، گاز طبیعی به سبب ارزان و در دسترس بودن و همچنین کاهش آلودگی زیست محیطی، در کنار نفت به عنوان منبع دیگری برای تولید انرژی مورد استفاده قرار گرفت.

امروزه، به علت نگرانیهای مربوط به گرم شدن هوا، رشد جمعیت، پیشرفت فناوری و همچنین، کاهش سریع منابع نفتی جهان، استفاده از منابع جدید انرژی مورد توجه قرار گرفته است. از جمله موادی که میتواند جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی باشد، هیدروژن است و وسیلهای که با استفاده از آن میتوان از هیدروژن انرژی گرفت، «پیل سوختی» نام دارد. با توجه به مزیتهایی که هیدروژن نسبت به سوختهای دیگر دارد، شاید بتوان ادعا کرد که «عصر آینده، عصر هیدروژن خواهد بود.»

در این بخش پیل سوختی به عنوان یکی از مهمترین ابزارهای مبدل انرژی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. انواع، ساختار و نحوه عملکرد آنها معرفی میشود. در پایان مزایا و معایب پیلهای سوختی بیان شده و در بخش بعد چگونگی تاثیر فناوری نانو بر بهبود ساختار و عملکرد آنها مورد بررسی قرار میگیرد.

اسلاید 4 :

پیل سوختی چیست ؟
پیل سوختی وسیلهای است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. برخلاف باتریها که به علت محدود بودن مقدار مادهی واکنش دهنده در مخزن باتری، پس از مدتی نمیتوانند انرژی لازم را تأمین کنند، در پیل سوختی مواد واکنش دهنده به صورت پیوسته وارد پیل شده و فرآوردهها به صورت پیوسته خارج میشوند، بنابراین پیل سوختی میتواند به صورت پیوسته کار کند. همچنین به دلیل اینکه تبدیل انرژی به طور مستقیم روی میدهد از بازدهی بالایی برخوردار است. در پیل سوختی گاز هیدروژن به عنوان سوخت مصرف شده و از واکنش آن با اکسیژن، علاوه بر انرژی الکتریکی، آب و حرارت نیز تولید میگردد. به عبارت دیگر در این تبدیل، عکس واکنش الکترولیز آب رخ میدهد.

اسلاید 5 :

ساختمان پیل سوختی
یک پیل سوختی از سه جزء اصلی تشکیل شده است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت یا غشاء.گاز هیدروژن که به عنوان سوخت به کار میرود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسایش مییابد. طی این واکنش یون هیدروژن مثبت (+H) و الکترون تولید میشوند. یونهای هیدروژن به همراه الکترونها از کاتد به آند منتقل شده که این انتقال از طریق الکترولیت صورت میگیرد. انتقال الکترون از طریق یک مدار خارجی صورت پذیرفته و سبب ایجاد جریان مستقیم (DC) میشود. بنابراین مصرف ‎‎کنندههای جریان متناوب (AC) از مبدلهای جریان مستقیم به متناوب استفاده میکنند. اکسیژن موجود در کاتد با الکترونها و یونهای هیدورژن واکنش داده و آب تولید میکند.
بیشتر بدانید

اصطلاح اکسایش، پیشتر برای واکنشهای ترکیب مواد با اکسیژن به کار میرفت و کاهش به عنوان برداشتن اکسیژن از یک ترکیب اکسیژندار، تعریف میشد. اما امروزه اکسایش و کاهش بر اساس تغییر عدد اکسایش تعریف میشود. اکسایش فرآیندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم افزایش مییابد و کاهش، فرآیندی است که در آن عدد اکسایش یک اتم کم میشود.

اسلاید 7 :

یک سیستم پیل سوختی را می توان به طور کلی به سه بخش زیر تقسیم کرد:
بخش سوخت رسانی شامل: مبدل سوخت و سیستم ذخیره هیدروژن 
بخش تولید انرژی شامل: سری پیل سوختی و سیستم کنترل رطوبت، فشار، دما و دبی گازها
بخش تبدیل انرژی: که مربوط به فصل مشترک بین پیل سوختی و مصرف کننده برق جهت تبدیل جریان و ولتاژ برق به ولتاژ و جریان مناسب است.
 
فکر کنید
با توجه به این که هر پیل سوختی حدود 0.7 ولت اختلاف پتانسیل تولید میکند، به نظر شما چرا نیاز است پیلهای سوختی را به صورت سری استفاده کنیم؟ همچنین در مورد ضرورت سایر بخشها از جمله مبدل سوخت فکر کنید.

اسلاید 8 :

نمونه حل شده
چگالی انرژی کم هیدروژن در حالت گازی کاربرد هیدروژن را به عنوان حامل انرژی با مشکل روبرو میسازد. سوختهای متداول همچون گاز طبیعی، پروپان و بنزین و سوختهایی مانند متانول و اتانول، همگی در ساختار مولکولی خود هیدروژن دارند. با بکارگیری مبدل نصب شده بر روی خودرو یا مبدلهایی که در محلهای سوختگیری نصب میشوند، میتوان هیدروژن موجود در این سوختها را جدا کرده و به عنوان سوخت در پیل سوختی مورد استفاده قرار داد. فرض کنید انرژی حاصله از واکنش سوختن هر مول هیدروژن 286 کیلوژول باشد، اگر بخواهیم 429 کیلوژول انرژی تولید کنیم، شرایط زیر را مقایسه کنید: 
حجم مخزن هنگامی که از گاز هیدروژن استفاده کنیم (با فرض اینکه واکنش در شرایط استاندارد رخ دهد.)؟- در شرایط استاندارد هر مول گاز 22.4 لیتر فضا اشغال میکند.

اسلاید 10 :

انواع پیل سوختی
پیلهای سوختی را بر اساس نوع الکترولیتی که در آن به کار میرود، به پنج دسته طبقهبندی میکنند:
پیلهای سوختی قلیایی (AFC)
پیلهای سوختی کربنات مذاب (MCFC)
پیلهای سوختی اسید فسفریک (PAFC)
پیلهای سوختی اکسید جامد (SOFC)
پیل های سوختی غشاء مبادله کننده پروتون (PEMFC)
پیل سوختی متانولی (DMFC)
از نگاهی دیگر، طبقهبندی پیلهای سوختی بر اساس دمایی است که پیل سوختی در آن کار میکند. بر این اساس پیلهای سوختی به دو دسته کلی پیل سوختی دما بالا و پیل سوختی دما پایین تقسیمبندی میشوند. در جدول 1 دمایی که انواع پیلهای سوختی در آن کار میکنند، به همراه نوع الکترولیت و نام اختصاری آنها نشان داده شده است.

اسلاید 12 :

مزایا و معایب پیلهای سوختی
مزایای پیلهای سوختی عبارتند از:

داشتن بازدهی بالا نسبت به وسایلی که از سوختهای شیمیایی معمول نظیر نفت و بنزین استفاده میکنند.
به دلیل وابسته نبودن به سوختهای فسیلی متداول نظیر بنزین و نفت، وابستگی و ناپایداری اقتصای را کاهش میدهند.
نصب پیلهای سوختی نیروگاهی کوچک موجب کاهش شبکه توزیع و کاهش اتلاف انرژی میشود.
سازگاری با محیط زیست؛ چون تنها محصول جانبی ایجاد شده در پیلهای سوختی آب است.
عدم آلودگی صوتی؛ از آنجاییکه در پیلهای سوختی اجزای متحرک وجود ندارد، این وسیله بسیار بیصدا و آرام است.
هزینه نصب کم و راهاندازی آسان
قابل تنظیم بودن زمان عملکرد با توجه به میزان سوخت
امکان استفاده از سوختهای گوناگون 
به علت عدم وجود اجزای متحرک نگهداری از آنها بسیار ساده است.
برخی از این مولدها قابلیت تولید همزمان برق و حرارت را دارند.

معایب پیلهای سوختی عبارتند از:

ناشناخته بودن فناوری پیلهای سوختی در جهان
گران بودن؛ از آنجایی که هنوز خطوط تولید پیلهای سوختی وجود ندارد، تولید انبوه آنها بسیار گران است. علاوه بر این، در ساخت این وسایل از برخی مواد گران قیمت (مانند کاتالیستها) نیز استفاده میشود.
ممکن است در مدت طولانی کار، گرما موجب مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی شود.
در صورت استفاده از سوخت ناخالص، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در ‎‎‎‎نهایت مسمومیت پیل میگردد.

اسلاید 13 :

زمینههای مختلف استفاده از پیلهای سوختی
حمل ونقل (خودروهای سواری و وسایط نقلیه عمومی)
نیروگاهها (نیروگاههای متمركز و غیرمتمركز اعم از خانگی، تجاری، صنعتی):پیل های سوختی به دلیل آرام و بی صدا بودن برای تولید برق محله ای گزینه خوبی محسوب می شود. به علاوه کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاهها میتوان برای گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.
وسایل الکترونیکی قابل حمل (تلفنهای همراه، رایانههای شخصی و .)
صنایع نظامی: پیلهای سوختی که در دمای پایین کار میکنند در تانكها، زرهپوش و خودروهای نظامی استفاده میشوند. نداشتن قطعه متحرک دراین نوع پیل های سوختی باعث کاهش صدا شدهوبه دلیل کارکرد در حرارت پایین ردیابی آنها مشکل تر از خودروهایی با موتور درون سوز می باشد.

اسلاید 14 :

بروز ترین روش تولید پیل سوختی
در حال حاضر، پيلهاى سوختي، شبیه به خودروها توليد مىشوند؛ يعنى قطعات مختلف آنها به صورت جداگانه ساخته و سپس روى هم اسمبل مىشوند تا يك پيل سوختى توليد شود. این روند تولید، مراحل بسيار زيادى دارد و در عین هزينه بالاى آن، زمان بسيار زيادى صرف تولید آن می شود. گروه تحقيقاتى تامپسون با استفاده از فرآيند پيشرفته ميكروفابريكيشن، نسل جديد پيلهاى سوختى را تولید می کند. در این فرایند به جاى توليد جداگانه پيل سوختي، آنها به صورت لايه لايه ساخته مىشوند، روشى كه هم اکنون براى ساخت ابزارهاى ميكروالكترونيك مورد استفاده قرار مىگيرد. پژوهشگران دانشگاه ميشيگان اميدوارند با استفاده از اين فن آورى ارزان قيمت و همچنين استفاده از مواد ارزانتر، قيمت پيلهاى سوختى را از ۱۰ هزار دلار براى هر كيلو وات به ۱۰۰۰ دلار برسانند.

اسلاید 15 :

مزایای پیل سوختی اکسید جامد
به علت عملکرد دمایی بالا دارای بیشترین راندمان نسبت به سایر پیلهای سوختی میباشد.
از گرمای تولید شده میتوان برای افزایش بازدهی مجدد استفاده نمود.
امکان بازسازی درونی سوخت به خاطر عملکرد دمایی بالا وجود دارد.
نیازی به کاتالیستهای گران قیمت ندارد.
برای استفاده از سوختهای مختلف نیازی به مبدلهای سوخت نیست.
از آنجاییکه پیل سوختی اکسید جامد دارای الکترولیت جامد است مشکل خوردگی مواد کم میباشد .
برای ساخت اجزای پیل میتوان از فناوری لایه نازک استفاده نمود. ولی در پیلهای سوختی با الکترولیت مایع چنین امری دست نیافتنی است.

اسلاید 16 :

پیل سوختی اساساً وسیله ای است که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و.) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل میکند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باتری بوده ولی بر خلاف باتری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد. پیلهای سوختی میتوانند سوختهای حاوی هیدروژن مانند متانول( Methanol )، اتانول ( Ethanol) ، گاز طبیعی ( Natural Gas ) و حتی بنزین و گازوئیل را مورد استفاده قرار دهند. بطورکلی در سوختهای هیدروکربوری، هیدروژن توسط یک دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بکار گرفته میشود. پیلهای سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش بسزائی داشته و بخاطر عدم بکارگیری قطعات مکانیکی زیاد، ایجاد آلودگی صوتی نیز نمینماید.

علاوه بر آن سیستم پیل سوختی از کارائی نسبتاً بالائی نسبت به موتورهای احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژی در سالهای ۱۹۷۳ و ۱۹۹۱ و آلودگی فزاینده محیط زیست، کشورهای صنعتی را بر آن داشت تا جهت استفاده از سیستمهایی با راندمان بالا و سازگار با محیط زیست سرمایه گذاری کلانی نمایند. سیستمهای پیل سوختی از جمله تکنولوژیهای پیشرفته ایست که مصارف غیر نظامی آن با توانهای میلی وات تا مگا وات موضوع تحقیق شرکتهای تولید نیرو، خودرو سازی و نیز شرکتهای نفتی قرار گرفتهاست. پیل سوختی مجموعهای از الکترولیت، الکترودها و صفحات دو قطبی است.

در پیل سوختی(بهعنوان مثال نوع الکترولیت پلیمر جامد)، هیدروژن از آند و اکسیژن از کاتد وارد میشوند. هیدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت میکند. الکترون نیز از طریق مدار خارجی به سوی کاتد هدایت میشود. اکسیژن با دریافت الکترون و پروتون به آب تبدیل میشود. حرکت الکترون از آند به کاتد جریان برق را به وجود میآورد که قابل استفاده در وسایل برقی است .آب حاصل در کاتد میتواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

اسلاید 17 :

بحث و بررسی
یکی از پیلهای سوختی که بیشترین کاربرد تجاری را دارا هستند پیلهای سوختی متانولی مستقیم (DMFC) است. استفاده از پیلهای سوختی متانولی مستقیم، توسط سازندگان اتومبیلها در حال بررسی و مطالعه است تا جایگزین سوختهای فسیلی در اتومبیلهای نسل آینده شوند. همچنین این نوع از پیلها به علت داشتن دانسیته انرژی بالا میتوانند به عنوان باتری در وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند لپ تاپ و گوشی موبایل مورد استفاده قرار گیرند و جایگزین مناسبی برای باتریهای یون لیتیومی کنونی باشند. اما محدودیتهای زیادی بر سر راه تجاری شدن پیلهای سوختی وجود دارد که این محدودیتها شامل موارد زیر میشود:
مشکلات و خطرات ذخیرهسازی هیدروژن 
گران بودن کاتالیست پلاتین (Pt)
مسمومیت کاتالیست توسط سوختهای غیر هیدروژن

اسلاید 18 :

کاتالیست: 
کاتالیست مادهای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را زیاد میکند، بدون اینکه خود در جریان واکنش مصرف شود. از این رو؛ کاتالیست را میتوان بدون تغییر، در پایان واکنش بازیابی کرد.
مسمومیّت کاتالیست: 
از بین رفتن اثر کاتالیستی یک کاتالیست به صورت جزئی یا کلی ناشی از قرار گرفتن در معرض طیفی از ترکیبات شیمیایی را، مسمومیّت کاتالیست گویند.
 
فناوری نانو راهحلهایی را ارائه میدهد که میتواند مشکلات پیلهای سوختی را تا حد زیادی بهبود دهد و راه را برای گسترش صنعت پیلهای سوختی هموارتر سازد. در بخش بعد به طور خلاصه به کاربردهای فناوری نانو در پیلهای سوختی پرداخته شده است.

اسلاید 19 :

فصل دوم
راهکارهای فناوری نانو برای صنعت پیل سوختی
مقدمه
پیل سوختی وسیلهای است که انرژی شیمیایی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. گاز هیدروژن به دلیل تمایل واکنشدهندگی بالا، فراوانی و عدم آلایندگی محیط زیست، به عنوان سوخت ایدهآل در پیل سوختی مورد استفاده قرار میگیرد. 
از این پیلها میتوان در زمینههای مختلفی برای تولید انرژی استفاده کرد که معمولترین آنها خودروهای سواری، وسایط نقلیه عمومی، نیروگاهها، وسایل الکتریکی قابل حمل مانند تلفنهای همراه و رایانههای شخصی و صنایع نظامی است. 
پیلهای سوختی دارای مزایای قابل توجهی چون بازدهی بالا، سازگاری با محیط زیست، عدم آلودگی صوتی، هزینه نصب کم و راهاندازی آسان هستند اما وجود معایبی مانند هزینه ساخت بالا به سبب استفاده از مواد گران قیمت و عدم وجود خطوط تولید انبوه، استفاده آنها را محدود نموده است.
 
گسترش روز افزون فناوری نانو و ورود آن به زمینههای مختلف از جمله انرژی سبب ایجاد تحول عظیمی در این حوزه شده است. در همین راستا فناوری نانو به کمک صنعت پیلهای سوختی آمده و راهحلهایی برای مشکلات موجود ارائه میکند.

اسلاید 20 :

ذخیرهسازی هیدروژن:
هیدروژن گازی است که قابلیت اشتعال و انفجار زیادی دارد و ذخیره کردن آن داخل یک مخزن میتواند خطرات زیادی را به همراه داشته باشد. بنابراین باید به دنبال روشهایی برای ذخیرهسازی بیخطر آن بود. یکی از این روشها ذخیرهسازی سوختهای غیر از هیدروژن و تبدیل آنها به هیدروژن در موقع نیاز است. برای این کار میتوان از یک مبدل برای تبدیل سوختهایی مانند متانول (که مشکل ذخیرهسازی ندارند) به هیدروژن استفاده کرد. محققان همچنین پیشنهاد کردهاند که برای ذخیرهسازی هیدروژن میتوان از نانوساختارهایی نظیر نانولولههای کربنی (CNT) و ساختارهای زئولیتی به خاطر سبک بودن، بیخطر بودن و سطح فعال زیاد استفاده کرد.