چکیده:
با توجه به روند روبه‌رشد مصرف انرژی در جهان استفاده از روش‌ها و سیستم‌های جدید تولید انرژی با بازدهی بالا و آلایندگی پایین‌تر در اولویت قرارگرفته است. امروزه، با گسترش سیستم‌های مختلف تولید انرژی، روشهای گوناگونی مانند استفاده از انرژی خورشیدی، انرژی باد، پیلهای سوختی، میکروتوربین‌ها و دیزل ژنراتورها موردتوجه قرارگرفته‌اند که هرکدام از این روش‌ها دارای مزیت‌ها و معایب مخصوص به خودند. داشتن یک سیستم تولید انرژی قابل‌اعتماد، کم‌هزینه و همیشه در دسترس استفاده از پیلهای سوختی را به‌عنوان یک کاندیدای مهم معرفی کرده است. پیلهای سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی هستند که امروزه به‌عنوان یک فناوری جدید در تولید انرژی محسوب میشوند. در این پژوهش به مطالعه و بررسی پیل های سوختی و انواع آنها پرداخته شده است و تمرکز این پژوهش بر پیل سوختی با غشاء مبادله‌کن می باشد. و در انتها به بررسی روش های اصلاح و ارتقاء کارایی غشاهای تبادل پروتون پرداخته شده است.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست جدول‌ها ج
فهرست شکل‌‌ها د
فصل 1- انواع پیل های سوختی 1
1-1- مقدمه 1
1-2- پیل سوختی چیست؟ 3
1-3- تاریخچه پیل سوختی 10
1-4- معرفی انواع پیل سوختی 13
1-4-1- پیلسوختی اسید فسفریک 16
1-4-2- پیلسوختی قلیایی 19
1-4-3- پیلسوختی کربنات مذاب 21
1-4-4- پیلسوختی اکسید جامد 24
1-4-5- پیلسوختی متانولی 27
1-4-6- پیل سوختی سرامیکی پروتونی 29
1-4-7- پیلسوختی پلیمری 30
فصل 2- شناخت فنی پیل سوختی متانولی با غشا پلیمر 34
2-1- اجزای پیلسوختی متانولی 34
2-1-1- الکترود آند 34
2-1-2- روش تهیه لایه کاتالیست 37
2-1-3- الکترود کاتد 38
2-1-4- لایه نفوذ گاز 41
2-1-5- صفحات دو قطبی 42
2-2- تهیه MEA 45
2-3- فرآیند تولید سری پیلسوختی متانولی 47
2-4- سری‌های با صفحه دوقطبی 48
2-5- مجموعه غشا/الکترود 48
2-6- روش ساخت مجموعه غشا/الکترود 50
2-7- لایه‌های نفوذ گاز 52
2-8- صفحات دوقطبی 58
2-9- سیستم پیل سوختی 62
فصل 3- غشاهای تبادل پروتون پیل سوختی نوع PEM 64
3-1- مقدمه 64
3-2- غشاهای تبادل پروتون پیل سوختی 64
3-3- اصلاح غشاهای تبادل پروتون در پیل سوختی 65
3-4- روش های تهیه غشاهای تبادل پروتون اصلاح شده در پیل سوختی 65
3-5- انواع غشاهای تبادل پروتون اصلاح شده در پیل های سوختی نوع PEM 67
3-5-1- غشاء نفیان اصلاح شده توسط انواع زئولیت ها 73
3-5-2- غشاء نفیان اصلاح شده توسط پلیمرهای هادی نظیر پلی آنیلین 75
3-5-3- غشاء آلیاژی نفیان اصلاح شده توسط sPEEK و پلی اکریلونیتریل(PAN) 79
3-5-4- غشاء نفیان اصلاح شده توسط مواد هادی پروتونی (هتروپلی اسیدها) 83
3-5-5- غشاء نفیان اصلاح شده توسط کمپلکس های پلیمری اسید - باز 84
3-6- جمع بندی 86
3-7- مراجع 88
فصل 4- منابع و مراجع: 91
فهرست مراجع 93
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 1 1: مقایسه کلی بین پیلهای سوختی آلی از نظر دمای کارکرد و بازده و توان تولیدی [7] 32
جدول 3 1: میزان جذب آب تئوری و ضخامت غشاهای هیبریدی در حالات خشک (Td) و مرطوب (Tw) [6]. 70
جدول 3 2: اثر مقدار PAN روی IEC و نسبت های تورم غشاهای کامپوزیتی [11]. 80
جدول 3 3: نفوذپذیری متانول غشاهای کامپوزیتی sPEEK و PANدارای وزن های مولکولی مختلف [ ۱۱]. 82
فهرست شکل‌‌ها
عنوان صفحه
No table of figures entries found.
شکل 1 1 شمای کلی یک سلول سوختی [1] 5
شکل 1 2: نمای کلی یک پیلسوختی به همراه گازهای واکنش دهنده و تولید شده و مسیر حرکت یونها[1] 5
شکل 1 3: قسمتهای اصلی یک پیل سوختی[1] 6
شکل 1 4: طرز کار پیل سوختی[1] 7
شکل 1 5: اولین پیل سوختی سر ویلیام گرو [2] 11
شکل 1 6: پیلسوختی اسید فسفریک [2] 17
شکل 1 7: پیلسوختی قلیایی[5] 19
شکل 1 8: نحوه عملکرد یک پیل سوختی قلیایی[5] 21
شکل 1 9: پیلسوختی کربنات مذاب [6] 22
شکل 1 10: نحوه عملکرد یک پیل سوختی کربنات مذاب 23
شکل 1 11 پیلسوختی اکسید جامد [6] 25
شکل 2 1: اثر افزایش میزان کاتالیست مورد استفاده در آند بر دانسیته جریان 37
شکل 2 2: اثر افزایش نسبت وزن کاتالیست به کربن در الکترود کاتد پیلسوختی متانولی 39
شکل 2 3: مقایسه عملکرد پیلسوختی متانولی با دو نوع کاتد متفاوت (پلاتین با بستر کربن و پلاتین سیاه) 40
شکل 2 4 MEAیک پیل سوختی متانولی 46
شکل 2 5: مجموعه غشا/الکترود 49
شکل 2 6ساختار ساده شده و ایده‌ال الکترود پیلسوختی نوع پلیمری ]7[ 52
شکل 2 7: بخشی از شکل 3-6 که بزرگنمایی شده است]7[. 53
شکل 2 8:2-8 مسیرهای جریان گاز در صفحات دوقطبی یا در صفحات انتهایی/گیرنده‌های جریان 55
شکل 2 9 صفحات دو قطبی 56
شکل 2 10یک سری پیل سوختی متشکل از 3 پیل با 2 صفحه دو قطبی و 2 صفحه انتهایی 57
شکل 2 11استفاده از فلزات فوم شده در صفحات دوقطبی 62
شکل 3 1: اندازه گیریهای میزان جذب آب غشاهای نانوکامپوزیتی در دماهای الف) 90 و ب) 120 68
شکل 3 2: اندازه گیریهای هدایت یونی غشاهای نانوکامپوزیتی به ترتیب در دماهای الف) 90 و ب) 120 [۳] 69
شکل 3 3: عملکرد پیل سوختی پیل واحد با انواع غشاها تحت شرایط الف) کاملاً مرطوب در دمای C ۸۰ و ب) خشک در دمای °C110 [۳] 70
شکل 3 4: هدایت های پروتونی غشاهای نفیان (دایره)، نفیان- Lp مربع روشن) و نفیان- Lp-g مربع تیره) بر حسب رطوبت نسبی در دمای C۲۵ [۶] 72
شکل 3 5: منحنیهای پلاریزاسیون متناظر برای غشاء نفیان - ۱۱۵ (دایره) و غشاء هیبریدی نفیان-(Lp-g) (مربع تیره) برای هر دو حالت شرایط عملیاتی [ ۶]. 73
شکل 3 6: ریزساختارهای SEM سطوح انواع پودرهای زئولیتی الف) NaAب) Mordenite ج) ETS-10 و د) Umbite [۸] 74
شکل 3 7: هدایت یونی انواع غشا های کامپوزیتی بر حسب دما در رطوبت نسبی ۱۰۰ درصد تا دمای 150 [۸]. 75
شکل 3 8: رفتار جذب حلال برای غشاهای کامپوزیتی نفیان - پلی آنیلین در مقایسه با نفیان [ ۱۰]. 77
شکل 3 9: منحنی های پلاریزاسیون پیل های سوختی متانول مستقیم با غشاهای نفیان و کامپوزیتی در دمای 20 [۱۰]. 78
شکل 3 10: هدایت پروتونی بر حسب مقدار PAN در غشاء کامپوزیتی نسبت به نفیان – ۱۱۷ [۱۱]. 81
شکل 3 11: تصاویر SEM تغییر ریزساختار غشاهای کامپوزیتی با افزایش مقدار PAN [۱۱] 82
شکل 3 12: منحنیهای پلاریزاسیون پیل های سوختی با انواع غشاها در دمای پیل بترتیب ۶۰ و 80 [12]. 84
شکل 3 13: منحنیهای پلاریزاسیون پیل های سوختی H2/O2 با انواع غشاها تحت شرایط کاملاً مرطوب و غیرمرطوب در 60 درجه [12]. 84
شکل 3 14: مکانیسم تشکیل کمپلکس اسید – باز بین غشاهای نفیان و PBI [13] 85
شکل 3 15: منحنیهای پلاریزاسیون پیل سوختی حاوی غشاء کامپوزیتی PBI- H3PO4/Nafion در زمان های تست مختلف [13] 86
شکل 3 16: منحنیهای عملکرد در جریان ثابت و ولتاژ مدار باز پیل سوختی حاوی غشاء الف) H3PO4/Nafion-PBI و ب) H3PO4/PBI [13] 86
