يکي از موارد مهمي که بشر از ابتدا به عنوان يک چالش اساسي با آن مواجه بوده است يافتن روشهاي نوين و پر بازده تبديل انرژي سوختها به انرژي قابل استفاده بوده است شايد بتوان اولين تجربه انسان در اين راه را ساخت ماشينهاي اوليه بخار دانست اين ماشينها داراي راندمان بسيار پايين بودند بعد از اختراع موتورهاي احتراق داخلي توسط اتو اين راندمان نسبتا بهبود يافت و به مرز 7 % در موتورهاي اوليه رسيد با پيشرفت علم ترموديناميک سيکلهاي احتراقي بهتري پا به عرصه گذاشتند هر چند برخي از آنها يا قابل اجرا نبودند يا با مشکلات ساخت و تجهيزات پيچيده مواجه بودند. بهترين سيکل حرارتي کاربردي که تا کنون مورد استفاده بشر قرار گرفته است سيکل ترکيبي برايتون – رانکين مي باشد که در نيروگاههاي حرارتي توليد برق مورد استفاده قرار گرفته است و بازده آن قريب به 45 % مي باشد اما امروزه بشر به فن آوري جالب پيل سوختي به عنوان جانشين بسيار مناسب براي موتورهاي احتراق داخلي مي انديشد از آنجاييکه اين وسيله از سيکل کارنو تبعيت نمي کند و بصورت مستقيم و بواسطه فرآيند الکتروشيميايي ، انرژي شيميايي سوخت را به انرژي الکتريکي تبديل مي نمايد مي توان بسته به نوع سوخت راندماني بين 80 % براي سوخت هيدروژن خالص و 30 % براي گاز متان داشته باشد. امروزه پيل سوختي به يک رقيب مناسب براي توربينهاي گاز در نيروگاهها ، موتورهاي احتراق داخلي در خودروها و باطريها در کامپيوترهاي کيفي تبديل شده است جريان مستقيم توليد شده توسط پيل سوختي را مي توان براي کاربردهاي الکتريکي بويژه بکارانداختن موتورهاي الکتريکي و روشنايي استفاده نمود. می توانید این پروژه مهندسی برق را به صورت فایل word دانلود نمایید.
مقدمه
يکي از شيوه هاي اساسي که تکنولوژي آن در دهه اخير به سرعت توسعه يافته است استفاده از پيلهاي سوختي جهت تأمين همزمان الکتريسيته و حرارت به روش الکتروشيميايي مي باشد در اين روش که به عبارتي مي توان آن را عمل الکتروليز معکوس قلمداد کرد انرژي شيميايي ذخيره شده در سوختهاي فسيلي بدون احتراق استخراج مي گردد اين سيستمها در مقايسه با ساير روشها از کارائي زيادي برخوردار بوده و آلودگي بسيار کمي توليد مي کند. با توجه به اينکه پيلهاي سوختي بصورت شيميايي برق توليد مي کنند خيلي بهتر از احتراق خواهند بود آنها محدوديت قوانين ترمود يناميک را که واحدهاي توليد قدرت مرسوم دارند ندارند بنابراين پيلهاي سوختي بازده بسيار بيشتري در توليد انرژي از يک سوخت خواهند داشت همچنين با افزايش هر چه بيشتر بازدهي سيستم مي توان اتلاف گرما از بعضي سلولها را مهار کرد.
همانطور که مي دانيم در اتومبيل ها وسايل زيادي نظير کولر، گرم کن، راديو و ... با نيروي مکانيکي توليد شده و يا با باتري داخل اتومبيل تغذيه مي شوند. بنابراين اگر در هنگام حرکت از اين وسايل استفاده شود مقداري از نيروي موتور صرف تغذيه ي اين وسايل مي شود. و مي توان گفت که استفاده از اين وسايل تقريبا مداوم و بي وقفه است. يکي از اولين کاربرد هاي پيل هاي سوختي مذکور تامين انرژي لازم براي وسايلي نظير کولر ، بخاري ، راديو و ... در اتومبيل هاي سنگين است. در حالتي که اينگونه اتومبيل ها در جا کار نمي کنند بلکه در حال حرکت هستند. زيرا اگر انرژي لازم براي اين وسايل در حالت درجا کار کردن از موتور گرفته شود مشكلي به وجود نمي آيد. اما اگر اتومبيل در حال حرکت باشد مقداري از نيروي موتور به جاي اينکه صرف جلو بردن اتومبيل شود صرف به کار انداختن اين وسايل مي شود.
پيل سوختي واحدي است که بوسيله واکنش شيميايي برق توليد مي کند هر پيل سوختي دو عدد الکترود دارد که يکي مثبت و ديگري منفي ميباشد که بطور عام کاتد و آند ناميده مي شوند واکنشهايي که توليد الکتريسيته مي کنند در الکترودها اتفاق مي افتد. همچنين هر پيل سوختي يک الکتروليت دارد که ذرات داراي بار الکتريکي رااز يک الکترود به الکترود ديگر منتقل مي کند و يک کاتاليست که انجام واکنش در الکترودها را تسريع مي کند . هيدروژن سوخت اصلي است ولي پيلهاي سوختي به اکسيژن نيز نياز دارند يکي از مزيتهاي بزرگ پيلهاي سوختي توليد الکتريسيته با ايجاد حداقل آلودگي ميباشد بيشتر اکسيژن و هيدروژني که در توليد الکتريسيته بکار ميرود در نهايت با ترکيب شدن با يکديگر توليد آب مي کنند. يک پيل سوختي ساده توليد مقدار کوچکي از جريان برق ( DC ) مي کند در عمل بسياري از پيلهاي سوختي بصورت يک سري سوار مي شوند. پيلهاي سوختي بر چند گونه اند که هر کدام داراي فرآيند شيميايي خاص خود مي باشند پيلهاي سوختي بسته به نوع الکتروليت آنها دسته بندي مي گردند که هر کدام از آنها براي کاربرد خاصي مناسب مي باشد.
پيلسوختي قليايي
پيلسوختي قليايي يکي از فن‌آوري‌هاي توسعه يافته ميباشد که از اواسط دهه 60 در برنامه آپولو و شاتل‌هاي فضايي ناسا به کار گرفته شد. پيلسوختي در اين فضاپيماها هم برق جانبي مورد نياز و هم آب آشاميدني را تامين مينمايد. در اين نوع پيل از اکسيژن و هيدروژن استفاده شده و الکتروليت آن نيز عموماً محلول هيدروکسيد پتاسيم است. دماي عملياتي از 150 تا 220 درجه سانتيگراد متغير است و غلظت الكتروليت هيدروكسيد پتاسيم نيز با دما تغيير مي‌کند. الكتروليت مورد استفاده که محلول برپايه آب است معمولاً در يك ماتريس متخلخل (از جنس آزبست) نگهداري مي‌شود. بازده اين نوع پيلسوختي درحدود %70 است و دانسيته توان آن در حد 300-100 است. طول عمر اين پيلسوختي بيش از 10000 ساعت ميباشد.
اين نمونه جديد پيل سوختي بر پايه ماده الکتروليتي سراميکي استوار است که در دماهاي بالا رسانايي پروتوني بالايي دارد. پيلسوختي سراميكي مزيت هاي جنبشي و گرمايي در عمليات دماي بالا (در 700 درجه سلسيوس) پيلسوختي کربنات مذاب و پيلسوختي اکسيد جامد را شامل مي‌شود، در حالي که تمام مزاياي رسانايي پروتون در پيلهاي سوختي اسيد فسفريک و پيلسوختي پليمري را دارد. در اين نوع پيل دماي عملياتي بالا جهت رسيدن به بازدهي بيشتر با سوخت هاي هيدروکربني ضروري است. دماي عملياتي اين نوع از پيلهاي سوختي سراميكي سبب مي‌گردد تا سوختهاي فسيلي به طور الکتروشيميايي اکسيد شده و مستقيماً در آند مورد استفاده قرار گيرند. اين عمل مراحل مياني توليد هيدروژن در طول فرايند پرهزينه تبديل سوخت را حذف مي‌کند. مولکول‌هاي گازي سوخت هيدروکربني در حضور بخارآب روي سطح آند جذب شده و به اتم‌هاي هيدروژن و دي اکسيدکربن تبديل مي‌گردد. شركت Coorstek در حال مطالعه اوليه اين نوع پيلسوختي است.
پيلسوختي كربنات مذاب
پيلسوختي كربنات مذاب (MCFC) کاملاً متفاوت از ساير انواع پيلسوختي عمل مينمايد. الكتروليت اين پيل‌ها تركيبي از مذاب كربنات نمك‌ها ميباشد. دو نوع ترکيبي که اکنون بيشترين کاربرد را دارند ترکيب كربنات سديم و کربنات ليتيم و يا کربنات پتاسيم و کربنات ليتيم مي‌باشند كه در ماتريسي از جنس LiAlO2 نگهداري مي‌شود. بواسطه دماي كاركرد بالا اين نوع پيلسوختي، نيكل به عنوان آند و اكسيد نيكل به عنوان كاتد استفاده مي‌شود و نيازي به استفاده از فلزات كمياب در الکترودهاي اين پيلسوختي نيست.
پيلسوختي اكسيد جامد
توسعه پيلسوختي اكسيد جامد (SOFC) از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در حال حاضر بالاترين دما را در ميان انواع پيلسوختي دارد. محدوده دماي عملكرد اين پيل600 - 1000 درجه سانتيگراد است و به همين دليل از انواع سوختها در آن مي‌توان استفاده نمود. اين پيلسوختي دو ساختار صفحه اي و لوله‌اي دارد و از الكتروليت جامد سراميكي نازكي به جاي الكتروليت مايع استفاده مي‌شود.
پيلسوختي متانولي
پيلسوختي متانولي يک فن‌آوري نوظهور است که در آينده بسيار نزديک در تلفن‌هاي همراه و لب تاپ ها به توليد انبوه خواهد رسيد. در اويل دهه 90 پيلسوختي متانولي بدليل كارايي و چگالي قدرت پايين و ساير مشكلاتش هنوز مناسب نبود. بهبود در كاتاليست و ديگر پيشرفت‌هاي ايجاد شده در طي سال‌هاي اخير، چگالي قدرت را 20 برابر افزايش داده و كارايي آن را به 40 % رسانيده است. ميزان توان گرفته شده از اين پيلسوختي در حدود mW/Cm2 400-200 است. پيلسوختي متانولي در واقع نوعي پيلسوختي پليمري است با اين تفاوت که در اين پيلسوختي ساختار الکترودها با پيلسوختي پليمري تا حدي متفاوت است و در اين نوع پيل، متانول مايع به عنوان سوخت مصرف مي‌شود. مشکل اصلي در مورد اين پيلسوختي عبور متانول از غشاء پليمري است. به همين دليل تحقيقات برروي الکتروليت‌هايي که ميزان عبوردهي کمتري دارند متمرکز شده است.
فصل اول: مقدمه اي بر انواع پيلهاي سوختي
· مقدمه
· پيل سوختي چيست؟
· معرفي انواع پيل سوختي
· پيلسوختي اسيد فسفريك
· پيلسوختي قليايي
· پيلسوختي كربنات مذاب
· پيلسوختي اكسيد جامد
· پيلسوختي متانولي
· پيل سوختي سراميکي پروتوني
· پيلسوختي پليمري
فصل دوم: شناخت فني پيل سوختي متانولي
· اجزاي پيلسوختي متانولي
· روش تهيه لايه کاتاليست
· لايه نفوذ گاز
· تهيه MEA
· فرآيند توليد سري پيلسوختي متانولي
· سري‌هاي با صفحه دوقطبي
· مجموعه غشا/الكترود
· لايه‌هاي نفوذ گاز
· صفحات دوقطبي
· سيستم پيل سوختي
فصل سوم : اتصال پیل سوختی به بار با استفاده از روش بردار فضایی(SVM)
· اینورتر قابل کنترل
· کلیدزنی به روش (SVPWM)
· بردارهای فضایی در SVPWM
· محاسبه دوره‌ی کار کلید‌ها
· اثر تغییر بار بر روی توان الکتریکی و متوسط ولتاژ خروجی
· نتایج حاصل از شبیه سازی