پایان نامه بررسی انواع پیل های سوختی و اثرات توليد فرآوردهای محيطی پيل های سوختی
فهرست:
فصل اول : انرژي هيدروژن و پيل سوختي 1
1-1- مقدمه 2
1-2- ويژگي هاي سوخت هيدروژني 3
1-3- فناوري هاي توليد هيدروژن 5
1-4- فناوري هاي عرضه و ذخيره هيدروژن 6
1-4-1- ذخيره سازي هيدروژن بصورت گاز 6
1-4-2- ذخيره سازي هيدروژن بصورت مايع 7
1-4-3- ذخيره سازي هيدروژن به كمك آلياژهاي فلزي مخصوص 8
1-5- فناوري انتقال و پخش هيدروژن 8
1-5-1- انتقال از طريق خط لوله 8
1-5-2- انتقال از طريق جاده و راه آهن 9
1-5-3- انتقال از طريق دريا 9
1-6- فناوري هاي مصرف هيدروژن- پيل هاي سوختي 9
فصل دوم : انواع پیل های سوختی 13
2-1- پيلسوختي پليمری 14
2-2- پيل سوختي قليايي 15
2-3- پيل سوختي اسيد فسفريك 16
2-4- پيلسوختي اكسيد جامد 17
2-5- پيل سوختي هوا – روي 19
2-6- پيل سوختي سراميکي پروتوني 20
2-7- پيلسوختي كربنات مذاب 20
2-8- پيل سوختي متانولي 21
2-9- پيلهايسوختي اتانولي مستقيم 22
2-10- پيلسوختي بروهيدريد مستقيم 23
2-11- پيلسوختي الكتروگالواني 23
2-12- پيلسوختي كربني مستقيم 24
2-13- پيلسوختي متانولي بهسازي شده 25
فصل سوم : اثرات توليد فرآوردهای محيطی پيل های سوختی 26
3-1- مقدمه 28
3-2- پيل های سوختی اکسيد جامد برای توليد نيروی الكتريسته ساکن 29
3-3- تعریف زیربخش ها 29
3-3-1- قفسۀ SOFC یا تودۀ SOFC 29
3-3-2- سیستم SOFC 30
3-3-3- سیستم قدرت و کنترلرها 30
3-4- خصوصيات محيطی تکنولوژی SOFC 30
3-5- پیشرفت های قانون محیطی 31
3-6- عوامل جغرافیایی 31
3-7- پیشرفت ها در قانون محیط در اروپا 32
3-7-1- قانون مربوط به طرح و انتخاب مواد 33
3-7-1-1- دستورالمعل غنی (REACH) 33
3-7-1-2- محدودیت دستورالعمل مواد خطرناک 34
3-7-1-3- طراحی زیستی با استفاده از دستورالعمل محصولات (EUP) 34
3-7-2- قانون مربوط به مدیریت نهایی محصولات 34
3-7-2-1- دستورالعمل تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی 34
3-7-2-2- قانون دیگر مسئولیت تولید کنندۀ گسترده 35
3-7-2-3- دستورالعمل دفن زباله 35
3-7-2-4- دستورالعمل زوائد خطرناک 35
3-8- يک شيوه خطرناک برای ارزيابی اثرات قانونی آتی 35
3-8-1- تاثیر ارزیابی در چهارمرحله 36
3-8-2- كاربرد شيوة پرخطر براي ارزيابي اثرات آيندة قانون 36
3-8-2-1- اثرات قانونگذاري محيطي بر تودة SOFC 37
3-8-2-2- اثرات قانون محيطي بر سيستم SOFC 37
3-8-2-3- اثرات قانون محيطي بر قدرت SOFC و سيستم كنترل 40
3-8-2-4- اثرات آيندة قانون محيطي بر توليدات SOFC ساكن 42
نتيجه گيري 44
پیوست : نمونه از کاتالوگ یک پیل لیتیومی 46
منابع 47
مقدمه
دردهه1980ميلادي شواهدعلمي نشان ميدادكه انتشارگازهاي گلخانه اي ناشي ازفعاليت هاي انساني خطراتي را براي آب و هواي جهان بوجود آورده است و به اين ترتيب افكار عمومي ، لزوم ايجاد كنفرانسهاي بين المللي دوره اي و تشكيل پيمان نامه اي براي حل اين مساله را احساس كرد. در سال 1997 ميلادي كنوانسيون تغييرات آب و هوايي با هدف تثبيت غلظت گازهاي گلخانه اي دراتمسفر تا سطحي كه از تداخل خطرناك فعاليتهاي بشر با سيستم آب و هوايي جلوگيري شود، پروتكل كيوتو را مطرح نمود و به موجب اين پروتكل كشورهاي صنعتي ملزم به كاهش انتشار گازهاي كلخانه اي مي شوند.
هدف اين كنوانسيون دستيابي به تثبيت غلظت گازهاي گلخانه اي در اتمسفر تا سطحي است كه از تداخل خطرناك فعاليتهاي بشر باسيستم آب و هوايي جلوگيري نمايد و چنين سطحي بايد در يك چهارچوب زماني كافي حاصل گرددتا اكوسيستمها بطورطبيعي خودرا با تغييرات آب وهوا وفق دهند واطمينان حاصل شود كه امنيت غذايي تهديد نميشود وتوسعه اقتصادي بطور پايدار ايجاد ميگردد؛از اين رو انرژي هاي تجديدپذير روز به روز سهم بيشتري در سيستم تامين انرژي جهان را به عهده مي گيرد.
منابع انرژي تجديدپذير بصورت تناوبي دردسترس هستند و بخودي خود قابل حمل يا ذخيره سازي نيستند و بهمين خاطر نميتوانندبصورت سوخت بخصوص دربخش حمل و نقل مورداستفاده قرارگيرند. متداول ترين سوخت استفاده دربخش حمل ونقل در بسياري ازكشورهاي دنيابنزين وگازوئيل بوده است. خودروهايي كه سوخت بنزين يا گازوئيل مصرف مي كنند موجب انتشار مواد مضر و آلاينده با تركيبات شيميايي پيچيده ميشوند. با آنكه تمهيدات مختلفي جهت كاهش دركشورهاي پيشرفته بكار گرفته شده است، ليكن اين برنامه درشهرهاي بزرگ مسئله توليد مواد آلاينده را به حدكافي كاهش نداده است. وقتي سوخت هاي فسيلي با تركيب هيدروكربورهاي مختلف بطور ناقص ميسوزد، منواكسيدكرين توليد ميشودكه ماده اي بسيار سمي است.برخي اتمهاي كربن تركيبات موجود درسوخت بصورت نسوخته و ذرات جامد كربن روي هم انباشته شده و بهمراه هيدروكربورهاي نسوخته بصورت دوده خارج مي شود و در مجاورت نور خورشيد با تركيبات اكسيدهاي نيتروژن حاصل از احتراق تركيب شده و توليد ازن مي نمايد.
سوختهاي پاك داراي خواص فيزيكي و شيميايي ذاتي هستند كه آنها را پاكتر ازبنزين با ساختار و تركيبات فعلي درعمل احتراق مينمايد. اين سوختهاي جايگزين حين احتراق، هيدروكربور نسوخته كمتري توليد كرده ومواد منتشر حاصل از احتراق آنها داراي فعاليت شيميايي كمتري براي تشكيل مواد سمي ديگر ميباشد؛ در ضمن استفاده از سوختهاي جايگزين شدت افزايش وانباشته شدن دي اكسيد كربن كه سبب گرم شدن زمين ميشود را نيزكاهش ميدهد.
معرفي سوختهاي جايگزين ومطالعه درخصوص امكان استفاده وبهره برداري از سوختهاي جايگزين ، با توجه به ملاحظات فني اقتصادي و منابع گسترده موجود برخي ازآنها درايران،همچنين بدليل روند رو به رشد مصرف سوختهاي مايع هيدروكربوري دركشوركه هرساله موجب ضرر و زيان هنگفت به بودجه عمومي و محيط زيست كشور ميشود از اهميت قابل توجهي برخودار شده است.
1-2- ويژگي هاي سوخت هيدروژني
هيدروژن يكي ازعناصري است كه در سطح زمين به وفور يافت ميشود. اين عنصر درطبيعت بصورت خالص وجود ندارد وآنرا مي توان توسط روشهاي مختلف از ساير عناصر بدست آورد. هيدروژن عمده ترين گزينه مطرح بعنوان حامل جديد انرژي است. اين ماده درمقايسه با ساير سوختها ميتواند با راندماني بالاتر و احتراق بسيار پاك به ساير اشكال انرژي تبديل شود. امروزه استفاده از هيدروژن درصنايع مختلف بصورت يك نياز ميباشد. هيدروژن در صنايع شيميايي، غذايي، كاني و فلزي كاربردهاي زيادي دارد. با توسعه صنعتي جهان و تقاضاي روزافزون انرژي، جهان با دو معضل مهم آلودگي زياد محيط زيست و محدودبودن ذخاير سوختهاي فسيلي مواجه شده است.
باتوجه به اينكه امروزه يكي ازمشكلات بزرگ جهان،انتشار مواد آلاينده حاصل ازسوختهاي فسيلي مي باشد، هيدروژن دراين بخش نيز داراي مزاياي نسبي مي باشد؛ لذا با توجه به نكات مثبت زيست محيطي ، اقتصادي و قوانين وضع شده، جهان امروز به سمت توسعه پايدار با استفاده ازانرژي هيدروژني سوق داده شده مي شود.
ازجمله ويژگيهايي كه هيدروژن را از ساير گزينه هاي سوختي متمايز مينمايد، مي توان به فراواني، مصرف تقريباً منحصر به فرد، انتشار بسيار ناچيز آلايندها، برگشت پذير بودن چرخه توليد آن و كاهش اثرات گلخانه آن اشاره نمود. درحال حاضر كشورهاي مختلف دنيا درحال سرمايه گذاري دراين بخش مي باشند.
امروزه توليد انرژي يكي از بزرگترين چالشهاي عصر آينده خواهد بود، ازاين رو استفاده از هيدروژن براي توليد برق نيز امري ضروري بنظر ميرسد و دراين راستا كشورهاي مختلفي براي تغييرسوخت انواع ژنراتورها وتوربينها به سوخت هيدروژني درحال فعاليت ميباشند. استفاده از هيدروژن به همراه پيلهاي سوختي چشم انداز بسيار روشني را در آينده ترسيم مي نمايد، سيستم انرژي هيدروژني بدليل استقلال از منابع اوليه انرژي ، سيستمي دائمي، پايدار، فناناپذير، فراگير و تجديدپذير ميباشد وپيشبيني ميشود كه در آينده اي نه چندان دور توليد ومصرف هيدروژن بعنوان حامل انرژي به سراسر اقتصاد جهاني سرايت نموده و اقتصادهيدروژن تثبيت شود، با اين وجودنبايد انتظار داشت كه هيدروژن دربدو ورود از نظر قيمتي بتواند با ساير حاملهاي انرژي رقابت نمايد، از ديگر سوي سهم و نقش سوختاي گازي در آينده با حركت به سوي توليد همزمان گرما و الكتريسيته در نيروگاههاي كوچكتر در حال افزايش است.
درآينده هيدروژن و پيل سوختي مي تواند نقش محوري و كنترل آلايندگي در آلودگي شهرها داشته باشند. موتورهاي الكتريكي و پيلهاي سوختي جايگزين بسيار مناسبي براي موتورهاي احتراقي مي باشند. درحقيقت اگرهيدروژن ازمنابع فسيلي تامين شودخودروهاي پيل سوختي ميتوانند انتشار مواد آلاينده را درجو بحد صفر برسانند. با اين جايگزيني راندمان تا ميزان قابل توجهي افزايش يافته و انتشار مواد آلاينده در شهرها كاهش مييابد وكاهش كل انتشار مواد آلاينده بستگي به اين دارد كه آيا هيدروژن از سوختهاي فسيلي يا مواد زيست توده توليد ميشوديا اينكه بوسيله انرژي بادي يا نيروي برقآبي بدست ميآيد. هيدروژن به عنوان بهترين گزينه و اقتصادي ترين سوخت دردرازمدت به منظور استفاده در خودروهاي پيل سوختي از پتانسيل بسيار مناسبي برخوردار است.
هيدروژن ساده ترين سوخت جهت استفاده در خودروهاي پيل سوختي مي باشد وموجب افزايش راندمان و سادگي خودروهاي پيل سوختي ميگردد. در صورت توليد هيدروژن از منابع گاز طبيعي، قيمت آن ازبنزين و گازوئيل كمتر است. با توجه به منابع گاز طبيعي موجود درجهان و وجود زيرساختهاي توزيع گاز طبيعي در اكثر كشورها و همچنين راندمان مناسب مبدل گاز طبيعي وكم بودن مضرات زيست محيطي وخطرات آن به لحاظ ايمني، استفاده از گازطبيعي و تبديل آن به هيدروژن مطرح گرديده است. احتراق مزيت اصلي استفاده از هيدروژن بعنوان سوخت آن است كه پس ازاحتراق محصول توليد شده بخار آب و اكسيد نيتروژن است.
1-3- فناوري هاي توليد هيدروژن
هيدروژن از منابع مختلفي همانند منابع انرژي اوليه (منابع پايان پذير مانند نفت خام،) ، منابع انرژي ثانويه (منابعي كه با استفاده از منابع اوليه انرژي توليد مي شوند مانند بنزين) و منابع تجديدپذير (منابعي كه بدون دخالت انسان بطور متناوب توليد مي شوند مانند باد، خورشيد و آب) بدست مي آيد. دانشمندان ازهيدروژن بعنوان سوخت نهايي ياد مي كنند.
درحال حاضر از هيدروژن توليدي در صنعت به عنوان يك فرآورده شيميايي استفاده مي شود. فروش تجاري هيدروژن كمتر از 10% ميزان توليد آن در دنيا ميباشد، بدين معني كه 90% هيدروژن توليدي درمحل توليد به مصرف ميرسد. امروزه هيدروژن را مي توان از فرآيندهايي همچون الكتروليز آب، رفورمينگ گاز طبيعي و اكسيداسيون جزيي سوختهاي فسيلي بدست آورد.
اکنون بيش از90% ازكل هيدروژن توليدي جهان ازسوختهاي فسيلي بدست ميآيد وبيشترين مصرف هيدروژن درصنايع نفت و پالايش ميباشد. هيدروژن بعنوان يك خوراك جانبي، ماده شيميايي حد واسط يا بعنوان يك ماده شيميايي خاص مورد استفاده قرار ميگيرد و در حال حاضر تنها سهم كوچكي از هيدروژن توليدي بعنوان يك حامل انرژي مورد استفاده قرار ميگيرد.
براي بهينه سازي و ايجاد تنوع در روش هاي تجاري توليد هيدروژن نياز به تحقيق و توسعه بيشتر و ساخت نمونه است. روشهاي پيشرفته اي جهت حداسازي مواد آلاينده لازم است تا قيمتهاي هيدروژن توليدي را كاهش داده و راندمان را افزايش دهند. روشهاي مناسبتري هم براي توليد هيدروژن بصورت ايستگاهي و هم بصورت پراكنده نياز است وبايد تلاشهايي بر روي فرآيندهاي تجاري موجود همچون رفورمينگ متان، الكترولايزرها درتوسعه روشهاي پيشرفته مانندپيروليز موادزيست توده وجداسازي آب به روش ترموشيميايي، فتوالكتروشيميايي و روشهاي بيولوژيكي متمركز باشد. هيدروژن در پالايشگاههاي بزرگ، درمناطق صنعتي ، پاركهاي انرژي وجايگاههاي سوختگيري جوامع مختلف توليد شده و به سهولت درمناطق روستايي و منازل مشتريان توزيع و پخش خواهد شد.
1-4- فناوري هاي عرضه و ذخيره هيدروژن
درسراسر دنيا طراحي وسايل نقليه اي كه ازهيدروژن به عنوان سوخت استفاده ميكنند، مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است و دامنه اين مطالعات درحال گسترش هستند.امروزه سيستمهاي ذخيره سازي هيدروژن جهت مصارف حمل و نقل مشتمل بر ذخيره به اشكال ذيل مي باشد:
- ذخيره سازي بصورت گاز فشرده درمخازن فولادي و كامپوزيتي
- ذخيره سازي بصورت مايع درمخازن فوق سرد
- ذخيره سازي درهيدريدهاي فلزي
در امر ذخيره سازي هيدروژن حدود 15% ازانرژي كل فرآيند ذخيره سازي ، صرف فشرده سازي هيدروژن ميشود و ميزان 30 تا 40 درصدآن نيز صرف فرآيند مايع سازي هيدروژن ميگردد. سيستمهاي فوق سردكه در آنها هيدروژن بصورت مايع ذخيره ميشود، بايد كاملاً ايزوله بوده و نبايد كمترين تبادل گرمايي و حرارتي با محيط اطراف داشته باشند، زيرا دماي جوش هيدروژن بسيار پائين بوده و با دريافت مقادير ناچيزي گرما به سرعت به جوش مي آيد.
امروزه هيدروژن چه بصورت گاز وچه مايع،توسط كشتي و كاميون جابجا ميشود و راندمان انتقال و جابجايي هيدروژن به اين روش بسيار كم است اما در آينده نزديك با افزايش كاربردهاي هيدروژن مي توان ازخطوط لوله نيز براي جابجايي هيدروژن استفاده كردكه راندمان آن نسبت به جابجايي با كاميون و كشتي بالاتر است. كاربرد هيدروژن جهت توليد اشكال مختلف انرژي كاملاً ميسر است ولي از مشكلات عمده، نحوه ذخيره سازي مؤثر وايمن آن است. وجود ويژگيهايي نظير نفوذسريع،بيرنگ بودن شعله، گرم شدن در اثر انبساط، خوداشتغالي درفضاي آزاد پس از نشست و اثر تردي هيدروژن روي فولاد ازجمله مشكلاتي است كه امروزه دركاربردروشهاي گوناگون ذخيره سازي اين ماده خودنمايي ميكند. درحال حاضر روشهاي متداول ذخيره سازي هيدروژن را مي توان به سه گروه عمده تقسيم نمود:
1-4-1- ذخيره سازي هيدروژن بصورت گاز
از ساده ترين روشهاي ذخيره سازي هيدروژن ، ذخيره به حالت گازي است بنظر ميرسد كه هزينه اوليه اين روش نسبت به ساير روشهاي ذخيره سازي كمتراست. با توجه به جرم حجمي ناچيز هيدروژن گازي نسبت به ساير گازها، گاهي اوقات ناچاريم كه براي ذخيره سازي مقادير مناسب، به فشار بالا متوسل شويم.
ذخيره سازي هيدروژن گازي تحت فشار جزء تكنولوژيهاي قديمي و متدوال مي باشد. هيدروژن گازي معمولاً درمخازن لوله اي تحت فشار بالا ذخيره مي گردند.
ظروف مذكور، ديواره دو جداره دارندكه لايه داخلي آنها طوري ساخته شده است كه با فشار هدروژن سازگار است و ديواره خارجي نيز ازفولاد جوش داده شده با مقاومت بالا تهيه ميشود. دركل ، طراحي مخزن بگونه اي است كه درمقابل فشارتحمل زيادي دارد. زماني كه نياز باشد تا حجم زيادي از هيدروژن با سرعت معين از مخزن خارج شود در آنصورت از مخازن يا ظروف تقسيم كننده استفاده ميشود. زماني كه هيدروژن به مقدار زياد توليد ميشود، امكان ذخيره آن درسيستم خط لوله در فشارهاي بالا نيز وجود دارد. امكان ذخيره سازي هيدروژن درمخازن زيرزميني نيز وجود دارد كه پرهزينه ترين روش براي ذخيره هيدروژن هستند.
1-4-2- ذخيره سازي هيدروژن بصورت مايع
ذخيره سازي هيدروژن به حالت مايع داراي بالترين دانسيته ذخيره سازي است. با توجه به جرم حجمي بالاي هيدروژن مايع نسبت به ساير مايعات ،بناچار با مشكل حجم بالاي اين مخازن نسبت به ساير مايعات مواجه هستيم، در ضممن هيدروژن پس ازهليم داراي پايين ترين نقطه جوش نرمال است. وجود دماي فوق العاده پايين درنگهداري هيدروژن مايع لزوم انتخاب جنس مناسب مخزن را درطراحي تحميل مينمايد. اخيراً ذخيره هيدروژن بعنوان يك مايع كرايوژينك تنها روش درمقياس بالا مي باشد كه درصنايع مختلف مورد استفاده قرارگرفته است. از مشكلات كاربرد هيدروژن مايع ، مايع سازي آن است كه در چند مرحله صورت ميگيرد. هيدروژن نرمال در دماي اتاق شامل 75% هيدروژن نوع ارتو و 25% هيدروژن نوع پاراست، درحالي كه مخلوط فوق دردماي20 درجه كلوين تقريباً از هيدروژن نوع پارا تشكيل شده است. بنابراين اگر هيدروژن در حالت نرمال سرد شود، مقدار زيادي ازمايع دراثر گرماي حاصل ازتبديل هيدروژن نوع ارتو به پارا تبخير مي شود.
دركل انرژي لازم براي فرآيند مايع سازي برابر40% انرژي احتراق هيدروژن به تنهايي ميباشد. درصد معيني از هيدروژن مايع درحين فرايند مايع سازي بصورت تبخير از دست ميرود. درحال حاضرتكنولوژي اين فرايند در ايران موجود نيست و چون ميزان توليد هيدروژن مايع پايين است، ازنظر اقتصادي توليد چنين تجهيزاتي مقرون به صرفه نمي باشد.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.