پیل سوختی اسیدفسفریک
پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی دارای دامنه دمایی از ۸۰ درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی پلیمری تا بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی اکسید جامد می­‌باشند. پیل سوختی دما پایین (پلیمری ، قلیایی، اسید فسفریک) دارای حامل‌هایH⁺ و یا OH^- هستند و در پیل‌های سوختی دما بالا مانند کربنات مذاب و اکسید جامد، جریان الکتریکی به­ترتیب از طریق یون‌­ها انتقال می‌­یابد.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۱-۵-۱- پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون^[۴]
قبل از اختراع پیل سوختی پلیمری، پیل‌های سوختی مانند پیل‌های سوختی اکسید جامد تنها در شرایط خاصی مورد استفاده قرار گرفتند. چنین پیل‌هایی به مواد بسیار گران­قیمت احتیاج داشتند و به­ دلیل اندازه خاصشان تنها برای کارهای ثابت به­کار برده می­‌شدند. این موارد در پیل سوختی پلیمری نیز به­همین صورت بود. پیل سوختی پلیمری در اوایل دهه ۱۹۶۰ توسط ویلیام تماس گراب^[۵] و همکاران از شرکت جنرال الکتریک ابداع شد. در ابتدا، غشاهای پلی استیرن سولفامات برای الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما در سال ۱۹۶۶ پلیمر نفیون^[۶] جایگزین آن گردید که دارای دوام و عملکرد بهتری نسبت به پلی­استیرن سولفامات می­باشد [۵-۶]. پیل‌های سوختی پلیمری در ناسا برای سفینه­های فضایی مورد استفاده قرار می‌­گرفتند اما آن­‌ها در برنامه ­های آپولو و شاتل فضایی توسط پیل‌­های سوختی آلکالین جایگزین شدند. چندین اختراع خاص مثل بار­گذاری اندک کاتالیزور پلاتین و الکترود فیلم نازک، هزینه پیل­های سوختی را کاهش داده و باعث توسعه سیستم­های پیل سوختی پلیمری شد. در سال اخیر به­ دلیل پیشرفت تکنولوژی و موفقیت در استفاده از پیل سوختی پلیمری در اتوبوس‌های شهری و اتومبیل­های شخصی افق‌­های امید­بخشی برای گسترش روزافزون استفاده از این پیل پدیدار شده است به­ طوری که می‌توان ادعا کرد پیل سوختی پلیمری، مرحله تجاری شدن خود را آغاز کرده است [۷].
جزء اصلی پیل سوختی پلیمری که هادی پروتون و عایق الکترون می‌­باشد، غشاء^[۷] نام دارد. در دو طرف این غشاء الکترود­های متخلخل^[۸] قرار دارند. گاز­های واکنش دهنده از بین خلل آن گذشته و خود را به فصل­مشترک الکترود و غشاء جایی که واکنش الکتروشیمیایی انجام می­‌شود و لایه کاتالیزور^[۹]وجود دارند، می­‌رسانند. این مجموعه چند لایه شامل الکترود­ها، کاتالیزور­‌ها و غشای بین آنها را MEA^[10] می­‌نامند. در دو طرف MEA صفحات جمع‌کننده جریان قرار دارند. به­ دلیل آن که این صفحات وظیفه و هدایت جریان الکتریکی تولید شده را به­عهده دارند همچنین جدا کننده کانال­‌های گازی در سل­‌های مجاور بوده و در یک ترکیب چند سلی اتصال دهنده فیزیکی و الکتریکی کاتد یک سل با آند دیگر می­‌باشند، به­صفحات دو قطبی^[۱۱] معروف هستند [۸-۹].
دمای کار پایین پیل سوختی پلیمری (حدود ۸۰ درجه سانتی گراد) اگرچه سبب راه ­اندازی سریع و افزایش طول عمر پیل می­ شود اما نرخ فعل و انفعالات الکتروشیمیایی پیل پایین آمده و استفاده از کاتالیزور (فلز گران قیمت پلاتینیوم) ضروری می­ شود. واکنش‌های الکتروشیمیایی پیل سوختی پلیمری را می‌­توان به­ طور خلاصه به­این­صورت نوشت:
H₂ → ۲H⁺ + ۲e^- (۱-۱) ۲/۱O₂ + ۲e^- + ۲H⁺ → H₂O (1-2)
از جمع دو واکنش آند و کاتد ، واکنش نهایی را می‌توان به­ صورت کلی زیر نوشت :
H₂ + ۲/۱ O₂ → H₂O + Heat + Electric Energy (1-3)
الکترون تولید شده در آند از مدار خارجی می‌گذرد و حین گذر انرژی خود را به­عنوان توان خروجی پیل آزاد و در طرف کاتد واکنش را تکمیل می‌کند [۱۰].
شکل ۱-۵- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری [۳].
۱-۶- پیل­های سوختی الکلی مستقیم^[۱۲]
پیل­های سوختی الکلی مستقیم به­ دلیل مزایای ویژه­ای که در مقایسه با پیل­های سوختی هیدروژنی دارند به­عنوان منبع انرژی در وسایل قابل حمل بسیار مورد توجه قرار گرفته­اند. الکل­هایی مانند متانول، اتانول، اتیلن­گلیکول و گلیسرول به­ دلیل چگالی انرژی حجمی بالا و هم­چنین به علت ذخیره و حمل بسیار راحت­تر از هیدروژن، به­عنوان سوخت این پیل­های سوختی مورد استفاده قرار گرفته­اند. در این بین، متانول بیشترین استفاده را به­عنوان سوخت داشته است. پیل سوختی متانولی مستقیم^[۱۳] معمولا در محیط اسیدی و با کاتالیزور پلاتین مورد استفاده قرار گرفته است. اما به­ دلیل مشکلاتی از قبیل ۱- مسمومیت کاتالیزور Pt بوسیله CO 2- اثر میان­عبورمتانول ۳- تخریب غشاء و خوردگی مواد کربنی ۴- مسمومیت متانول، که DAFC وجود دارد، در تحقیقات گسترده­ای برای استفاده از الکل­های دیگر در DAFCs انجام شده است. الکل­هایی با وزن مولکولی بالا­تر به­ دلیل حلالیت بالا درآب، سمیت کمتر، نقطه جوش بالا­تر و دانستیه انرژی بالا­تر مورد توجه قرار گرفته­اند. الکل­هایی مانند اتانول، اتیلن­گلیکول و گلیسرول به­ دلیل داشتن چنین مزایایی بیشترین توجه را به خود جلب کرده ­اند [۱۲-۱۱]. الکل­ها به دو صورت می‌توانند در پیل­های سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. اگر از الکل­ها برای تولید هیدروژن مورد استفاده در پیل­های سوختی استفاده شود چنین پیل سوختی را پیل سوختی الکلی غیر­مستقیم می­‌نامند و اگر از الکل­ها به­ طور مستقیم به­عنوان سوخت در پیل­های سوختی استفاده شود، پیل سوختی را الکلی مستقیم می­نامند.
۱-۷- سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی الکلی
برای بهبود عملکرد پیل سوختی و کمک به سلامت محیط زیست، سوخت مورد استفاده در پیل­های سوختی باید دارای شرایطی باشد: اولاً دارای ولتاژ سل بالایی باشد ثانیاً موجب کاهش انتشار CO₂ و دیگر آلودگی­ها شود.
هیدروژن اولین سوخت مورد استفاده در پیل­های سوختی است ولی به­ دلیل مشکلاتی که دارد تلاش‌های زیادی برای استفاده از سوخت­های جایگزین انجام شده است. سوخت­های الکلی، سوخت­هایی هستند که به‌عنوان جایگزین هیدروژن توجه زیادی را به­خود جلب کرده ­اند.
استفاده از الکل­ها در پیل­های سوختی الکلی مستقیم دو مزیت را به­همراه خواهد داشت اولاً اینکه این سوخت­ها مایع هستند و مشکلات مربوط به­ذخیره را به­حداقل می­رسانند و ثانیاً اینکه بیشتر آنها می­توانند از زیست توده­ها تولید شوند بدین معنی که احتراق آنها تاثیر زیادی در افزایش  اتمسفر نخواهد داشت.
۱-۷-۱- متانول به­عنوان سوخت
متانول یا الکل متیلیک دارای وزن مولکولی gr mol^-1 ۰۴_/۳۲ و چگالی gr cm^-3 ۷۹۶_/۰ می­باشد. در حال حاضر قسمت عمدۀ متانول دنیا از گاز طبیعی به­دست می ­آید. ذخایر دیگر مانند زغال سنگ، ضایعات چوب و یا مواد آلی دیگری مانند زیست توده نیز می­توانند به­عنوان ماده اولیه جهت تولید متانول به­کار روند. متانول از چوب و زغال سنگ نیز قابل تولید است. البته تولید آن از منابع طبیعی و تجدید­شونده در مقایسه با گاز از لحاظ اقتصادی گران­تر است.
متانول به­عنوان سوخت در وسایل نقلیه نیز به­کار گرفته شده است، به­خصوص مخلوط متانول با بنزین مد نظر بوده است. متانول از یک واکنش کاتالیزوری تحت فشار به­دست می ­آید که در آن CO و هیدروژن در حضور یک کاتالیزور با هم ترکیب شده و متانول سنتز می­ شود. متانول به دو روش مستقیم و غیر­مستقیم به‌منظور تأمین انرژی در پیل سوختی به­کار گرفته می­ شود. پیل­های سوختی چنانچه از متانول استفاده کنند از مزایای بازدهی بالا جهت تولید انرژی برخوردار خواهند بود و چنانچه در آنها از اتلاف حرارت جلوگیری شود می­توانند بازده بیش از ۸۰ درصد داشته باشند. این موضوع استفاده از متانول را از لحاظ اقتصادی مقرون به­صرفه می­نماید [۱۳].
۱-۷-۱-۱- پیل سوختی متانول مستقیم
پیل سوختی متانولی مستقیم زیر مجموعه ­ای از پیل­های سوختی تبادل پروتون و از خانوادۀ پیل­های سوختی پلیمری است. سوخت در این پیل سوختی متانول می­باشد که مستقیماً پیل سوختی را تغذیه می‌کند. این پیل سوختی تاکنون در وسایل نقلیه، گوشی­های موبایل، دوربین­های دیجیتال و لپ­تاپ­ها مورد استفاده قرار گرفته است.
متانول همراه آب در لایۀ کاتالیزوری اکسید می­ شود و دی­اکسید­کربن، یون H⁺ و الکترون تولید می‌کند. یون­های H⁺ تولید شده در آند از غشای تبادل پروتون عبور کرده و به طرف کاتد انتقال می­یابد و در آنجا با اکسیژن واکنش می­دهد و تولید آب می­ کند. الکترون نیز از مدار خارجی از آند به کاتد جهت تولید نیرو در وسایل خارجی، منتقل می­ شود. نیم واکنش­های آند و کاتد در این پیل سوختی عبارتند از:
(۱-۴) CO₂ +۶ H⁺ +۶ e⁻ CH₃OH + H₂O
(۱-۵) ۳H₂O O₂ + ۶H⁺ + ۶e⁻۲/۳
از جمع کل دو واکنش آندی و کاتدی، واکنش نهایی پیل سوختی متانولی را می­توان به­ صورت زیر نوشت:
(۱-۶) CH₃OH + 3/2 O₂ CO₂ + ۲H₂O + Electeric Energy + Heat
در شکل (۱-۶) پیل سوختی متانولی و چگونگی عملکرد آن به­ صورت شماتیک نشان داده شده است [۵].
شکل ۱-۶- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم.
آب در آند مصرف و در کاتد تولید می­ شود . با توجه به طریقۀ انتقال آب از سمت کاتد به آند، پیل سوختی متانولی به دو نوع فعال و غیر­فعال تقسیم بندی می­ شود. در پیل سوختی متانولی غیر­فعال آب از طریق انتقال غیر­فعال مثل اسمز به­سمت آند منتقل می­ شود و در پیل سوختی متانولی فعال آب از طریق انتقال فعال مثل پمپ کردن به­سمت آند منتقل و مصرف می­ شود [۳].
پیل سوختی متانولی مزایایی نسبت به پیل­ سوختی پلیمری دارد که عبارتند از:
جریان سوخت آندی مایع است و نیازی به یک سیستم جانبی برای سرد کردن و مرطوب کردن گاز نیست.
به­جهت استفاده از سوخت مایع در آند، نیازی به پمپ کردن بی مورد^[۱۴] در مقایسه با سوخت گازی نیست.
با فراهم کردن دانسیته بالایی از سوخت مایع در فشار محیط^[۱۵] مشکلات ناشی از نگهداری سوخت گازی از بین می­رود.
متانول قابل حمل و به فراوانی در دسترس است.
اگرچه پیل سوختی متانولی نسبت به پیل­ سوختی پلیمری دارای مزایایی است، با این وجود جهت تجاری سازی با محدودیت­هایی مواجه است که مهم­ترین آنها عبارتند از:
پیل سوختی متانولی غیر­فعال به مدیریت آب^[۱۶] نیاز دارد زیرا لازم است یک اختلاف فشار هیدرولیکی بین آند و کاتد وجود داشته باشد تا به هدایت آب از سمت کاتد به آند منجر شود. در این صورت برای رسیدن به عملکرد مناسب این نوع از پیل­های سوختی لازم است از جریان شدید آب به سمت آند جلوگیری شود.
میان­عبور متانول^[۱۷] به­خاطر غلظت بالای متانول در طرف آندی، از سمت آند به کاتد از میان غشاء وجود دارد. در این هنگام اکسایش متانول در سمت کاتد منجر به ایجاد پتانسیل مخلوط می­ شود که ولتاژ مدار باز^[۱۸] (OCV) پیل سوختی متانولی را از مقدار تئوری ۰۲/۱ ولت به ۸/۰ -۷/۰ ولت کاهش می­دهد.
سینتیک واکنش آندی به خاطر واکنش اکسایش پیچیده متانول در آند ذاتاً از سرعت کمی برخوردار است که لازم است در مقایسه با پیل سوختی پلیمری مقدار فلز گران قیمت بیشتری استفاده شود.
جریان مخالفی^[۱۹] از حباب­های دی­اکسید­کربن (CO₂) که در سطح آند تولید می­ شود در منطقه نفوذ^[۲۰] با جریان سوخت مایع متانول درگیر می‌شود و دسترسی مولکول­های متانول به لایه کاتالیزور را محدود می­ کند.
متانول تا حدودی سمی است و نسبت به بنزین آسان­تر به داخل زمین نفوذ می­ کند، آتش گیری بالایی دارد و قابل امتزاج با آب است، لذا آلودگی مخازن آب به­راحتی می ­تواند صورت گیرد [۳].
موضوع مهم دیگر درDMFC، میان­عبور متانول از آند به­سمت کاتد از طریق کشش الکترواسمزی^[۲۱] و نفوذ است.
میان­عبور متانول از آند به کاتد منجر به اثرات محدود کننده ای در عملکرد پیل سوختی به شرح زیر می­ شود [۱۴] :
اکسایش متانول در این منطقه دو کاتالیزور را مسموم می­ کند و پتانسیلی مخلوط در کاتد ایجاد می شود، اکسیژن را هدر می­دهد و مقدار فراوانیOCV را کاهش می­دهد و تأثیرات سوء پیش آمده شدیدتر از تأثیرات مشابه در میان­عبور هیدروژن در سیستم هایH₂PEFC است. OCV نوعیDMFC مشخصاً پایین تر از ۸/۰ ولتاست.
نشت بی مورد: میان­عبور سوخت از غشاء بدون ایجاد و تولید جریان منجر به کارآیی پایین می­ شود.
به­منظور جلوگیری ازمیان­عبور متانول چندین رویه مورد استفاده قرار می ­گیرد:
استفاده از محلول­های رقیق متانول: استفاده از محلول متانول با مولاریته پایین (۵/۰ – ۲/۰ مولار) با کاهش غلظت متانول در آند، میان­عبور را کاهش می ­دهد. به­هر حال، این رویه به ناچار منجر به استفاده از تانک­ ها­ی نگه­ داری بزرگ سوخت می­ شود و پمپ آب بیشتری را می­طلبد.
استفاده از الکترولیت ضخیم­تر: الکترولیت ضخیم­تر می ­تواند میان­عبور را محدود کند و همین­طور عملکرد پیل را از طریق افزایش افت اهمی از میان الکترولیت کاهش می­دهد.
یک مانع نفوذ^[۲۲] روی آند: یک مانع نفوذ، جایگزینی برای الکترولیت ضخیم­ تر است که محدودیت نفوذ را در منطقه­ ای انتقال یونی تحت تأثیر قرار نگیرد، قرار می ­دهد. یک مانع نفود منجر به یک گرادیان غلظت تند از محیط نفوذ تا مانع می ­شود به­طوریکه غلظت متانول در لایه کاتالیست کم شده و میان­عبور را کاهش می­دهد [۱۴].
۱-۷-۲- ۲- پروپانول
۲-پروپانول یا ایزوپروپیل الکل یک الکل نوع دوم می‌­باشد که کربنی که حامل گروه ^–OH است، خود به دو کربن دیگر متصل است. فرمول شیمیایی این الکل CH₃­CHOH­CH₃ می‌­باشد. این ماده یک ترکیب شیمیایی قابل اشتعال و بدون رنگ با بوی قوی است. ایزوپروپیل الکل درآب، الکل، اتر وکلروفرم قابل حل است. این الکل می­‌تواند به استون اکسید ‌شود. این را می­‌توان با بهره گرفتن از یک عامل اکسید کننده مانند اسیدکرومیک، ویا با هیدروژن­زدایی ایزوپروپیل الکل به­دست آورد.
از ایزوپروپیل الکل به­عنوان حلال برای فرایند­ها­ی صنعتی همچنین به­عنوان یک افزودنی به بنزین استفاده می­ شود. ایزوپروپیل الکل به­ ویژه برای کاربرد­ها­ی دارویی، با توجه به سمیت کم مورد استفاده قرار می‌­گیرد. گاهی از ایزوپروپیل الکل به­عنوان یک واسطه شیمیایی استفاده می­ شود. از عمده موارد کاربرد دیگر این الکل در صنعت چاپ می­باشد زیرا الکل­های مشابه نظیر ۲-پروپانول دمای آب را در دستگاه­های چاپ بسیار پائین نگاه داشته و قابلیت تبخیر پائینی دارد. از این الکل به مقدار بسیار کم برای استفاده خانگی و در محصولات مراقبت شخصی استفاده می­‌شود.