تاپیک انواع منابع انرژی نو

[ریپورتر]

یا هیدروکسیدسدیم با درصد وزنی 65 می باشد. با این درصد وزنی، دمای عملکرد پیل حدود 0c250 خواهد بود. در صورتی که از هیدروکسیدپتاسیم با درصد وزنی کمتر استفاده شود( 35 تا 50% وزنی) دمای عملکرد پیل به کمتر از 0c120 می رسد. در پیل های سوختی قلیایی ابتدایی از سیستم چرخش الکترولیت استفاده می شود. در این سیستم الکترولیت در مخزنی بیرون از پیل نگهداری می شد و در هنگام عمل به داخل پیل پمپ می شد. چنین سیستمی این امکان را به وجود می آورد که الکترولیت در خارج از پیل سرد شود و آب آن بخار شود. همچنین آن میزان از الکترولیت که تغییر شکل داده از سیستم خرج و الکترولیت جدید جایگزین آن شود. در پیل های سوختی، ماتریس از جنس آزبست با درجه خلوص بالا می باشد که با رزین هایی به عنوان مثال از جنس استرهای متاکریلیک مخلوط می شود.معمولاصفحه هاب آزبست به دو روش قالب گیری و اکستروژن ساخته می شوند. روش قالب گیری فرآیند پر هزینه است.هر چند در روش اکستروژن هزینه ساخت تنها 50% هزینه روش قالب گیری می باشد، لیکن مقاومت لایه آزبست ساختته شده توسط این روش کم است.

[ریپورتر]

مزایای پیل های سوختی قلیایی
·
· در ساخت الکترود آنها از مواد ارزان قیمت استفاده شده است و کاتالیزور های متنوعی در آنها بکار می رود.
· دارای واکنش دهندگی سریع در کاتد می باشد
· بر اساس شرایط مورد نیاز محدوده وسیعی از کمترین توان تا بیشترین توان را در بر می گیرد
· در دمای پایین با بیشترین راندمان کار می کند
· عملکرد سیستم آنها ساده است
· الکترولیت آنها بسیار کم تجزیه می شود
· دارای ساختمانی محکم بوده و با کج شدن و نوسانات آسیب نمی بیند
· مجموعه تجهیزات آنها ساده و سبک است

معایب پیل های سوختی قلیایی
· نسبت به منواکسیدکربن ئ دی اکسید کربن حساس می باشند
· الکترولیت آنها در الکترودها خوردگی ایجاد می کند
مزایای پیل های سوختی قلیایی نسبت به پیل های سوختی پلیمری
1- چون پیل های سوختی قلیایی ار طیف وسیعی از کاتالیزورها استفاده می کنندنیازی به استفاده از فلزات بی اثر در آنها نیست، پس ارزانترند(ارزش پیل های سوختی قلیایی به ازای هر کیلووات بین 100 تا 150 دلار و ارزش پیل های سوختی پلیمری به ازای هر کیلووات بین 1000 تا 1500 دلار می باشد)
2- پیل های سوختی قلیایی در دمای زیر صفر شروع به کار می کنند
3- در پیل های سوختی پلیمری به کمپرسور های قوی هوا، و مرطوب کننده غشا نیاز است در صورتی که در پیل های سوختی قلیایی چنین نیست
4- ولتاژ تولید شده توسط پیل هاس سوختی قلیایی بیشتر از پیل های سوختی پلیمری است، در واقع ولتاژ پیل های سوختی قلیایی حدود 8/0 و پیل های سوختی پلیمری دارای ولتاژ 6/0 است
5- پیل های سوختی قلیایی دارای سیستم الکترولیت چرخشی هستند و در نتیجه تولید آب ندارد. برای خاموش کردن آنها کافی است که کلید را ببندیم در نتیجه الکترولیت به طور خودکار از پیل های توده پیل منتقل می شود و پیل های سوختس قلیایی غیر فعال می شوند. چنین سیستمی برای خانه ها بسیار مفید و ار لحاظ ایمنی بهتر است
6- پیل های سوختی قلیایی دارای طول عمر بیشتری هستند. در این پیل ها وقتی سیستم خاموش است الکترودها فعال نما باشند در حالیکه در یک پیل سوختی پلیمری الکترودها دائما فعالند و هرگز استراحت ندارند که در نتیجه طول عمر آنها نیز کوتاهتر است
7- پیل های سوختی قلیایی بر اساس هیدروژن ناشی از آمونیاک نیز کار می کنند.آمونیاخشک دارای هیدروژن فراوانی است و هیچگونه آلودگی ایجاد نمی کند.در صورتی که در پیل های سوختی پلیمری که در آنها از هیدروکربورها استفاده می شود، دی اکسیدکربن تولید شده دارای اثرات گازهای گلخانه ای است.

نمونه ای از کاربرد های پیل های سوختی قلیایی:
pc17-c نمونه ای از پیل های سوختی قلیایی است که در سفینه های فضایی استفاده می

[ریپورتر]

· شود و چگالی خروجی آن به طور متوسط kw.kg -1 28. است.
· شرکت زیمنس در آلمان نیروگاه 100 کیلوواتی از این نوع پیل سوختی برای استفاده در زیر دریایی ها ساخته است که به تانک هیدرید فلزی مولد سوخت وصل است.( با توجه به اینکه سوخت مورد مصرف در زیر دریایی ها عمدتا سوختهای فسیلی است. استفاده از این پیل سوختی قلیایی که نیاز به هیدروژن خالص دارد مشکل است. از این رو بهتر است در کشتی ها از آن استفاده شود.)
· در ژاپن، واحد 10 کیلوواتی از این نوع پیل برای قایق ها در شرکت فوجی الکتریک در سال 1972 ساخته شد
· در اروپا از این پیل ها در سیستم هیبریدی با باتری نیکل- کادمیم برای تولید 78 کیلووات انرژی در اتوبوس استفاده می شود
· در تمامی سفینه های فضایی روسی از آن استفاده شده است.
· شرکت استریس چندین نمونه از پیل های سوختی قلیایی را جهت مصارف مختلف ساخته است:
1- ژنراتورالکتریکی قابل حمل 1 کیلوواتی بی صدا برای کار در محیط بسته
2- پیل های سوختی قلیایی 2 تا 3 کیلوواتی برای راه اندازی خودروهای کوچک و پله های برقی
3- پیل های سوختی قلیایی 4 کیلوواتی برای الکتریسیته، گرما و آب گرم خانه ها

سیستم هیبریدی پیل سوختی قلیایی و باتری سربی-اسیدی:
در سال 1970 پروفسور کوردش پروژه خودرو پیل سوختی را عملی ساخت . در این پروژه از سیستم هیبریدی پیل سوختی قلیایی با الکترولیت چرخشی همراه با باتری سربی- اسیدی استفاده شده است. باتری سربی- اسیدی برای زمان شروع به کار سیستم و همچنین وقتی که نیاز به انرژی زیاد می باشد( برای شتاب کرفتن و بالا رفتن از تپه) مورد استفاده قرار می گیرد. سیستم پیل ( هوا/هیدروژن)به طور موازی با باتری سربی- اسیدی وصل شده استو مجموعه سیستم دارای 730 کیلوگرم وزن است که در چها محفظه قرار داده شده اند. منبع سوخت از 6 تانک هیدروژن کم وزن تحت فشار تشکیل شده است مه هیدروژن موجود در آنها برای 300 کیلومتر طی مسافت کافی می باشد.

عملکرد سیستم هیبریدی:
در سرعت های بالا در صورت نیاز به نیروی بیشتر، این نیرو توسط باتری ها تامین می شود. باتری ها

[ریپورتر]

توسط پیل ها شارژ می شوند. بدین معنی که در زمان که خودرو کار نمی کند و یا در ترمزگیری انرژی اضافی در باتری ها ذخیره می شودو مقدار انرژی که توسط باتری تامین می شود توسط منحنی قطبش قابل اندازگیری است. دمای پیل های سوختی و شارژ باتری های سربی- اسیدی بیانگر عملکرد سیستم می باشد.توازن بین دو سیستم از لحاظ اقتصادی و عملکرد مهم است. برای بازدهی بالا دامنه عملکرد 200 تا 500 میلی آمپردر هر سانتی متر مربع از پیل باید بین 8/0 تا 85/0 ولت باشد. باتری های سربی- اسیدی خودرو دارای استاندارد SLT ، V12 بودند.حداکثر توان خروجی باتری در زمان کوتاه حدود 400 آمپر بود.وزن کل باتری ها 150 کیلوگرم و وزن باتری ها با پیل ها 400 کیلو گرم است که حدود وزن خودرو بود. بیشترین تعداد سرنشین خودرو 4 نفر با وزن کلی 320 کیلوگرم بود.

سوخت در خودروهای الکتریکی:
در صورتی که ار متانول یا هیدروکربورها به عنوان سوخت در خودروهای الکتریکی استفاده شود، سیستم نیازمند میپبدل سوخت است.ولی می توان از تانکهای حاوی هیدروژن و یا هیدریدهای فلزی برای رساندن مستقیم هیدروژن به پیل سوختی استفاده کرد. در سیستم پیل سوختی قلیایی می توان از آمونیاک به عنوان منبع سوخت استفاده کرد.آمونیاک دارای هیدروژن است و از لحاظ تجاری کپسول های حاوی آن در فشار پایین عملی است. چگالی انرژی آن kw.kg -13.3 است. از این مقدار انرژی حدود 15% در داخل مبدل کاتالیزوری تلف می شود و در دمای C350 ، 75% هیدروژن تولید می شود.
پیل های سوختی اسید فسفریک: ظرفیت بیست سال گذشته حدود 500 میلیون دلار در زمینه توسعه پیل های سوختی اسید فسفریک هزینه شده است. این پیل تنها پیل سوختی است که جنبه تجاری گسترده ای پیدا کرده است با پیشرفت در فناوری در زمینه پیل های سوختی ظرفیت تولید اللکتریسیته توسط پیل های سوختی اسیدفسفریک در مجموع بیشتر از 75 مگاوات رسیده است. هم اکنون نیروگاه های بزرگ 11 مگاواتی از نوع پیل های سوختی اسید فسفریک مشغول کار می باشند.

ساختمان پیل های سوختی اسید فسفریک:
الکترولیت در این نوع پیل ، اسید فسفریک مایع است. اسید فسفریک نسبت به تمامی اسید ها دارای پایداری بیشتری است. در دمای اتق به صورت جامع است( در این حالت رسانای ضعیف برای یون می باشد) ولی در دمای 150 تا 210 درجه تجزیه می شود. در غلظت 6/91 وزنی و دمای C3/29 ، اسید فسفریک تشکیل دو فاز متعال جامد- مایع می دهد. از این رو در شروع کار پیل برای گرم نمودن
الکترولیت لزومی به گرمکن نمی باشد. برای ممانعت از انجماد الکترولیت می توان نمک های معدنی به الکترولیت اضافه نمود.

اساس کار پیل های سوختی اسید فسفریک:
در آند سوخت اکسید می شود و به پروتون و الکترون تبدیل می شود. پروتون از طریق الکترولیت به کاتد می رسد و الکترون از طریق اتصال خارجی به کاتد رسیده با پروتون و اکسیژن ترکیب شده ، آب تولید می شود.

[ریپورتر]

مزایای پیل های سوختی اسید فسفریک:
· چون دمای عملکرد این پیل ها حدود C200 است در ساختمان آنها به استفاده از مواد مقاوم در برابر دمای بالا نیست.
· وجود دی اکسید کربن در سوخت بازدهی آنها را کاهش نمی دهد.
· از آب گرم و هوای خروجی آنها می توان برای گرم کردن آب و هوای محیط استفاده نمود.
· در خروجی آنها تاppm500، اکسید های نیتروژن وجود داشته ولی اکسیدهای گوگرد وجود ندارد.
· پیشرفت و بهینه سازی پیل سوختی اسید فسفریک نسبت به بقیه پیل ها بهتر بوده به طوریطوری که حدود250 واحد تولید انرژی از این نوع تا سال 1996 در سرتاسر دنیا مشغول به کار بوده است

معایب پیل های سوختی اسید فسفریک:
· بازده آنها نسبتا پایین است و به حدود 40% می رسد.
· کاتالیزور بکار رفته در آنها گران قیمت است
· در فواصل زمانی کوتاه به سرویس شدن نیاز دارند
· نسبت به غلظت های بالای منوکسید کربن حساس اند.
· با توجه به خورنده بودن الکترولیت، انتخاب مواد به کار رفته در ساختمان آنها با محدودیت همراه است
· بازده آنها با مقایسه با پیل های سوختی قلیایی به دلیل تشکیل پراکسید ها در محیط اسیدی کم است

کاربرد پیل های سوختی اسید فسفریک:
· در اواع نیروگاه ها اعم از کوچک و بزرگ و سیکل های ترکیبی به کار می رود(تا کنون در بیمارستان ها، هتل ها ، دفاتر کار ، مدارس و فرودگاه ها ، از این نوع پیل استفاده شده است)
· در کشتی های مسافر بری ، کشتی های باری و زیر دریاییها مورد استفاده قرار می گیرد(هنگامی در وسایل حمل و نقل دریایی از آنها استفاده می شود باید آسیب های ناشی از نمک و تلاطم دریا را در نظر گرفت)
· در اتوبوس ها و لوکوموتیوها نیز به کار رفته اند
· وزارت دفاع آمریکا این پیل هارا به مثابه نیروگاه هایی با توان 200 کیلووات در 30 نقطه کشور نصب نموده است. این نیروگاه ها تا کنون بیش از نیم میلیون ساعت کار مفید داشته اند.
PC25 نوعی پیل سوختی اسید فسفریک است، که راندمان الکتریکی آن 40% است. در سیکل های ترکیبی بازده آن به 85% می رسد. ساختمان آن مودولار، ساده و فشرده می باشد و قابل کنترل از راه دور است. صدا و لرزش ان بسیار کم است.آلاینده های خروجی آن فقط گازهای گلخانه ای می

[ریپورتر]

· باشند با استفاده از هر pc25 سالانه 18 تن آلاینده کمتر به هوا وارد می شود.

پیل های سوختی کربنات مذاب:
· این نوع پیل ها در سال 1960 با هدف استفاده از سوخت تولید شده توسط ذغال سنگ ساخته شده اند ولیکن امروزه بر اساس سوخت تولید شده از گازهای طبیعی یا دیگر سوخت های فسیلی کار می کنند. انتظار می رود که پیل های سوختی کربنات مذاب به تدریج جایگزین پیل های سوختی اسید فسفریک گردند. هم اکنون سه شرکت بزرگ آمریکایی و نیز شرکت های ژاپنی و اروپایی در حال توسعه و بهینه سازی فن آوری پیل های سوختی کربنات مذاب می باشند.

· ساختمان پیل های سوختی کربنات مذاب:
· الکترولیت این نوع پیل ها کربنات مذاب است که معمولا ترکیبی از کربنات های قلیایی سدیم و پتاسیم و یا کربنات های لیتیم و پتاسیم با نسبت مولی 62 به 38 می باشد.استفاده از مخلوط نمک های قلیایی باعث پایین آمدن نقطه ذوب الکترولیت می شود. به کار بردن کربنات سدیم به جای کربنات پتاسیم خاصیت بازی الکترولیت را افزایش می دهد و از انحلال کاتد درالکترولیت می کاهد. الکترولیت دارای رسانایی یونی باای است و نسبت به گازها نفوذ ناپذیر است.نقطه ذوب اکسید ها یونی بالاتر از c1000 استو نقطه ذوب نمک های دارای آنیون اکسیژن مثل نیترات ها، سولفات ها و کربنات ها پایین تر از این مقدار است( حدود 600 تا 800 درجه). بر همین اساس با توجه به این که الکترولیت به کار رفته در این نوع پیل ها نمک دارای آنیون اکسیژن است، دمای عملکرد آنها بین 600 تا 800 درجه است که دراین دما الکترولین به صورت مذاب رسانای یون است. برای فعال بودن الکترولیت لازم است که دمای عملکرد آن بالا نگه داشته شود و برای سرد کردن نقاط حساس به گرما، حجم زیادی از هوا از کاتد عبور داده شود. هوا توسط سیستم چرخشی و یا توسط صفحات جداکننده به تجهیزات مزبور می رسد.

[ریپورتر]

اساس کار پیل های سوختی کربنات مذاب

مزایای پیل های سوختی کربنات مذاب:
· دارای بازدهی بالا هستند( بازده تبدیل سوخت به الکتریسیته در این نوع پیل ها بیشتر از 55 % است) دمای بالای این نوع پیل ها باعث تولید مقادیر زیادی گرما می شود و بازدهی را تا 80% بالا می برد.(80% از ارزش انرژی سوخت قابل استفاده است)
· از کاتالیزور در انها استفاده نشده است( چون در دمای بالا کار می کنند و الکتورد ها فعال می باشند)
· امکان تبدیل سوخت به صورت داخلی در انها وجود دارد، درنتیجه از هزینه ساخت مبدل های اضافی کاسته می شود.
· به رغم کوچکتر و ارزانتر از پیل های سوختی پلیمری دارای ولتاژ واقعی بیشتری می باشند
· به لحاظ جنبه های اقتصادی ، فن آوری پیل های سوختی کربنات مذاب در مقایسه با تولید نیرو با استفاده از ذغال سنگ باصرفه تر است
· با توجه به استانداردهای زیست محیطی دارای بهترین فن آوری است

[ریپورتر]

معایب پیل های سوختی کربنات مذاب:
· چون نیکل متخلخل در اند مصرف می شود از مقاومت الکترود در دمای بالا کاسته شده و آند دچار فرسایش می گردد
· کاتد(اکسید نیکل ) در محلول الکترولیت حل شده و در نتیجه از طول عمر پیل کاسته می شود
· با توجه به خورنده بودن الکترولیت ، نشت آن در دراز مدت به پیل آسیب می رساند
· چون دمای عملکرد پیل بالا است امکان تغییر ترکیب شیمیایی الکترولیت وجود دارد
· برای تشکیل یون های کربنات ، به منبع دی اکسید کربن نیاز است
· چون گاز ها با دمای بالا در لوله ها جریان دارند امکان فرسایش و سوراخ شدن لوله ها وجود دارد(از این رو لازم است طول مجاری گازها کوتاهتر و سیستم فشرده تر گردد)
· چون دمای عملکرد بالا است ، مواد به کار رفته باید از جنس فولاد زنگ نزن باشد که در نتیجه هزینه ساخت بالا می رود.

کاربرد پیل های سوختی کربنات مذاب:
· از پیل های سوختی کربنات مذاب در نیروگاه های بزرگ و سیکل های ترکیبی استفاده می شود
· استفاده از آنها در کشتی های بزرگ و نفت کشها مخصوصا در کشتی های حمل کننده گاز مایع طبیعی بسیار به صرفه است، چون در این صورت می توان از گاز مایع طبیعی به عنوان سوخت مورد نیاز پیل نیز استفاده کرد.
· استفاده از چنین پیل هایی مشکل مربوط به آلودگی هوا را که ناشی از سوخت هایی فسیلی در این کشتی است مرتفع می سازد

پیل های سوختی اکسید جامد:
پیل های سوختی اکسید جامد به منظور کاهش قیمت و بهینه سازی عملکرد پیل های سوختی به ویژه پیل سوختی کربنات مذاب طراحی شده اند. الکترولیت به کار رفته در آنها از جنس سرامیک است وجود الکترولیت جامد مشکلات مربوطبه سرب کردن الکترولیت را از بین می برد، و امکان انتقال الکتروایت توسط گازهای اکسیدان و سوخت وجد ندارد. خورندگی الکترولیت و تنظیم آن منفی است و طرح آن انعطاف پذیر می باشد. به عبارت دیگر با توجه به جامد بودن تمامی اجزا، در شکل دهی پیل محدودیتی وجود ندارد و می توان براساس نوع کاربرد مورد نظر آنها را طراحی نمود.دمای عملکرد این نوع پیل حدود c1000 می باشد( تا امکان رسانش یونی وجود داشته باشد) و از این رو جایگزین مناسبی برای

[ریپورتر]

انواع دیگر پیل های سوختی است که تحمل دمای بالا را ندارد. هر چند دمای بالای عملکرد آن باعث افزایش سرعت واکنش ها بدون دخالت فلزات بی اثر می گردد، اما در انتخاب مواد به کار رفته در ساختمان آن محدودیت ایجاد می کند. بهینه سازی مواد به کار رفته در ساختمان سرامیکی الکترولیت، نکته اساسی در توسعه هر چه بیشتر پیل های سوختی اکسید جامد می باشد. با توجه به دمای بالای نیازی به مبدل سوخت نیست، زیرا امکان تبدیل سوخت در درون پیل وجود دارد. گرمای خروجی از سیستم قابل استفاده در توربین های بخار است که بدین ترتیب بازدهی سیستم افزایش خواهد یافت.

اساس کار پیل های سوختی اکسید جامد:
در صورتی که آند و کاتد توسط جریان خارجی به هم وصل شوند ، اکسیژن در کاتد توسط الکترون های جریان خارجی به یون تبدیل می شود، یون های اکسیژن از طریق الکترولیت رسانای یون اکسیژن به آند می رسند. در آند سوخت توسط یون های اکسیژن اکسید می شود و در نتیجه الکترون آزاد شده جهت جریان خاجی فراهم میشود.

[ریپورتر]

انواع پیل های سوختی اکسید جامد:
همان طور که قبلا اشاره شد پیل های سوختی اکسید جامد با توجه به نوع ساختمان الکترولیت آنها سه نوع لوله ای ، مسطح و لانه زنبوری می باشند. نوع مسطح و لانه زنبوری در مراحل اولیه توسعه هستند و در اندازه های 1 کیلوواتی ساخته شده اند . پیل های سوختی اکسید جامد مسطح در دمای 800 درجه کار می کنند، و نسبت به نوع لوله ای از کارایی بیشتری برخور دارد. چون که خط اتصال در توده پیل آنها کوتاهتر و ساختن آنها آسان تر است.
مزایای پیل های سوختی اکسید جامد:
· سوخت های متنوعی در آن قابل استفاده است
· تبدیل سوخت خام به هیدروژن، با استفاده از گرمای تولید شده توسط پیل صورت می گیرد و نیازی به مبدل خارجی نیست
· منوکسید کربن و گوگرد مسموم کننده الکترود های پیل های سوختی اکسید جامد نیستند، حتی منوکسید کربن به عنوان سوخت استفاده می شود
· تمام اجزای آن جامد هستند و قابلیت طراحی به اشکال مختلف دارند،همچنین درجه حرارت بالای پیل باعث تخریب آنها نمی شود
· نیازی به تزریق مجدد الکترولیت به داخل آن نمی باشد
· بازدهی آن بالا است و از گرما و بخار آب تولید شده در آن در سیکل های ترکیبی می توان استفاده کرد که بدین ترتیب بازده سیستم باز هم افزایش می یابد.

معایب پیل های سوختی اکسید جامد:
· در مقابل تنش های حرارتی آسیب پذیر بوده از این رو لازم است به آرامی گرم شده تا پایه سرامیکی شکسته نشود
· آب بندی سیستم مشکل است و امکان نفوذ سوخت و اکسیدان از هر دو طرف به الکترولیت نازک وجود دارد که با کاهش عملکرد سیستم همراه است.
کاربرد های پیل های سوختی اکسید جامد: با توجه به مزایای پیل سوختی اکسید جامد کاربرد های متعددی برای ان قابل تصور است، ولی در حال حاضر از پیل های سوختی اکسید جامد برای نیروگاه های متوسط و بزرگ و سیکل های ترکیبی استفاده می شود. با توجه به بالا بودن چگالی توان آن و نداشتن اثرات زیان آور زیست محیطی ، پیل سوختی اکسید جامد بهترین نوع پیل ، برای استفاده در خودروها می باشد. در صورتی که جهت وسایل حمل ونقل دریایی از ان استفاده شود لازم است اثرات نمک موجود در آب دریا بر روی سیستم در نظر گرفته شده و تمهیداتی برای مقابله با اثرات نمک به کار برده شود.

پیل های سوختی بیولوژیکی:
در این نوع پیل ها بیوشیمیاییی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.فرآینداصلی اکسایش دراین نوع پیل ها بدین صورت است که الکترون ها به وسیله میکرو ارگانیسم ها یا آنزیم ها برای تولید جریان الکتریکی به