پیل های سوختی الکلی

پیل های سوختی الکلی

مقدمه­ای بر پیل­ های سوختی

1-1- مقدمه

1-2- پیل سوختی چیست؟

1-3- تاریخچه

1-4- کاربرد­های پیل سوختی

1-5- انواع پیل سوختی

1-5-1- پيل سوختي پليمري يا غشاء مبادله کننده پروتون

1-6- پیل­های سوختی الکلی مستقیم

1-7- سوخت­های مورد استفاده در پیل­ های سوختی الکلی 

1-7-1- متانول به­عنوان سوخت

1-7-1-1- پيل سوختي متانول مستقيم

1-7-2- 2-پروپانول

1-7-2-1- پيل سوختي 2-پروپانولی مستقيم

1-7-3- پروپیلن­گلیکول

1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپان­دی­ال مستقیم

1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیل ­های سوختی      

1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف

1-8-1-1- کربن بلک

1-9- مطالعه اکسیداسیون الکل­ها روی الکتروکاتالیست­های بر پایه پلاتین

1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC

1-9-2- مکانيسم اکسايش متانول

1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلن­گلیکول روی الکتروکاتالیست­های برپایه پلاتین

1-10- اهداف پروژه

منابع

پیل های سوختی چيست؟

پیل های سوختی يک وسيله الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي سوخت را به­طور مستقيم به انرژي الکتريکي تبديل مي­کند. معمولاً فرآيند توليد انرژي الکتريکي از سوخت‌هاي فسيلي شامل چند مرحله تبديل انرژي است :

• احتراق که انرژي شيميايي سوخت را به گرما تبديل مي­کند.
• گرماي توليد شده براي به‌جوش آوردن آب و توليد بخار استفاده مي­شود.
• بخار، توربيني را به حرکت در مي آورد و در اين فرآيند انرژي گرمايي به انرژي مکانيکي تبديل مي­شود.
• انرژي مکانيکي باعث راه­اندازي يک ژنراتور و در نتيجه توليد انرژي الکتريکي مي­شود.

در يک پیل های سوختی براي توليد انرژي الکتريکي نيازي به عمل احتراق نيست و هيچ بخش متحرکي مورد استفاده قرار نمي‌­گيرد، به­عبارت ديگر به­جاي سه مرحله تبديل انرژي، در يک مرحله انرژي الکتريکي توليد مي‌­شود (شکل1-1).

انواع پیل های سوختی

پیل های سوختی بر اساس نوع الکتروليت استفاده شده در آن­ها به پنج نوع اصلي زير طبقه­بندي مي‌شوند [4]:

• پيل سوختي پليمري با غشاء مبادله کننده پروتون
• پيل سوختي قليايي
• پيل سوختي اسيدفسفريک
• پيل سوختي کربنات مذاب
• پيل سوختي اکسيد جامد

پیل های سوختی داراي دامنه دمايي از 80 درجه سانتي‌گراد براي پيل سوختي پليمري تا بيش از 1000 درجه سانتي‌گراد براي پيل سوختي اکسيد جامد مي­‌باشند. پيل سوختي دما پايين (پليمري ، قليايي، اسيد فسفريک) داراي حامل‌هايH⁺  و يا OH^– هستند و در پيل‌هاي سوختي دما بالا مانند کربنات مذاب و اکسيد جامد، جريان الکتريکي به­ترتيب از طريق يون‌­ها انتقال مي‌­يابد.

پیل­های سوختی الکلی مستقیم

پیل های سوختی الکلی مستقیم به­دلیل 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 به­دلیل چگالی انرژی حجمی بالا و هم­چنین به علت ذخیره و حمل بسیار راحت­تر از هیدروژن، به­عنوان سوخت این پیل­ های سوختی مورد استفاده قرار گرفته­اند. در این بین، متانول بیشترین استفاده را به­عنوان سوخت داشته است.

پیل سوختی متانولی مستقیم[2] معمولا در محیط اسیدی و با کاتالیزور پلاتین مورد استفاده قرار گرفته است. اما به­دلیل مشکلاتی از قبیل 1- مسمومیت کاتالیزور Pt بوسیله CO 2- اثر میان­عبورمتانول 3- تخریب غشاء و خوردگی مواد کربنی 4- مسمومیت متانول، که DAFC وجود دارد، در تحقیقات گسترده­ای برای استفاده از الکل­های دیگر در DAFCs انجام شده است. الکل­هایی با وزن مولکولی بالا­تر به­دلیل حلالیت بالا درآب، سمیت کمتر، نقطه جوش بالا­تر و دانستیه انرژی بالا­تر مورد توجه قرار گرفته­اند.

الکل­هایی مانند اتانول، اتیلن­گلیکول و گلیسرول به­دلیل داشتن چنین مزایایی بیشترین توجه را به خود جلب کرده­اند [12-11]. الکل­ها به دو صورت می‌توانند در پیل­ های 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 به­طور مستقیم به­عنوان سوخت در پیل های سوختی استفاده شود، پیل های سوختی را الکلی مستقیم می­نامند.

سوخت­های مورد استفاده در پیل­ های سوختی الکلی

برای بهبود عملکرد پیل سوختی و کمک به سلامت محیط زیست، سوخت مورد استفاده در پیل­ های 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 پیل­ های سوختی است ولی به­دلیل 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 کرده­اند.

استفاده از الکل­ها در پیل ­های 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.

¹.Direct Alcohol Fuel cells (DAFCS)

 ²Direct Methonol fuel cell (DMFC)

کاتالیزور مورد استفاده در آند پیل­های سوخت

در پیل های سوختی هیدروژنی و الکلی، و اکنشگر­ها باید روی سطح آند به­ترتیب، فرآیند­های جذب، واکنش سطح و واجذب را انجام دهند. برای انجام این فرآیند­ها انتخاب یک کاتالیزور مناسب که از طرفی سینتیک واکنش را بهبود ببخشد و از طرف دیگر مسمومیت­ها روی آن اثر کمتر­ی داشته باشند ضروری به­نظر می‌رسد.

پلاتین و آلیاژهای آن معمولاً به­عنوان آند در پیل های سوختی مورد استفاده قرار می­گیرند. در پیل­ های سوختی متانولی، مسموم کننده­هایی مانند CO روی سایت­های فعال پلاتین جذب می­شوند و روند انجام واکنش را مختل می­کنند. CO جذب شده روی سطح کاتالیزور را می­توان با افزایش پتانسیل آند به CO₂ اکسید کرد اما انجام این واکنش موجب کاهش بازده خواهد شد و عملی نیست [16].

در DAFCs نیز مانند پیل سوختی متانولی، CO یکی از حد­واسط­های تولید شده می­باشد و موجب بروز مشکلات مشابهی روی سطح الکتروکاتالیزور­های پلاتین می­شود. از این­رو توسعه الکتروکاتالیزور­هایی که در برابر مسمومیت و مزاحمت­های CO مقاوم باشند یک فاکتور مهم و اساسی برای بهبود عملکرد پیل­های سوختی محسوب می­شود.

پیل های سوختی الکلی

جهت مشاهده نمونه های دیگر از ادبیات ، پیشینه تحقیق و مبانی نظری پایان نامه های شیمی کلیک کنید.

نمونه ای از منابع پیل های سوختی الکی

• [1] Appleby, A., & Foulkes, F. (1989). Fuel Cell Handbook, New York: Van Nostrand Rainhold.
• [2] Wang, C. Y. (2004). Fundamental models for fuel cell engineering. Chemical reviews, 104(10), 4727-4766.
• [3] Ren, Z., Ramasamy, R. P., Cloud-Owen, S. R., Yan, H., Mench, M. M., & Regan, J. M. (2011). Time-course correlation of biofilm properties and electrochemical performance in single-chamber microbial fuel cells. Bioresource technology, 102(1), 416-421.
• [5] Nuernberg, G. B., Fajardo, H. V., Mezalira, D. Z., Casarin, T. J., Probst, L. F., & Carreño, N. L. (2008). Preparation and evaluation of Co/Al 2 O 3 catalysts in the production of hydrogen from thermo-catalytic decomposition of methane: Influence of operating conditions on catalyst performance. Fuel, 87(8), 1698-1704.
• [6] Tsang, E. M., Zhang, Z., Shi, Z., Soboleva, T., & Holdcroft, S. (2007). Considerations of macromolecular structure in the design of proton conducting polymer membranes: graft versus diblock polyelectrolytes. Journal of the American Chemical Society, 129(49), 15106-15107.
• [7] Ma, Y., Wang, R., Wang, H., Liao, S., Key, J., Linkov, V., & Ji, S. (2013). The effect of PtRuIr nanoparticle crystallinity in electrocatalytic methanol oxidation. Materials, 6(5), 1621-1631.
• [8] Park, K. W., Han, D. S., & Sung, Y. E. (2006). PtRh alloy nanoparticle electrocatalysts for oxygen reduction for use in direct methanol fuel cells. Journal of power sources, 163(1), 82-86.
• [9] Du, H., Li, B., Kang, F., Fu, R., & Zeng, Y. (2007). Carbon aerogel supported Pt–Ru catalysts for using as the anode of direct methanol fuel cells. Carbon, 45(2), 429-435.
• [10] Wasmus, S., & Küver, A. (1999). Methanol oxidation and direct methanol fuel cells: a selective review. Journal of Electroanalytical Chemistry, 461(1), 14-31.
• 11-…
• 12-…