عنوان کارآموزی:  پایان نامه آنالیز نیرو محرکه پیل سوختی،مهندسی مکانيک 

رشته:  پروژه تخصصی دوره کارشناسی‌،مهندسی مکانيک گرايش حرارت و سيالات

فرمت فایل: WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحه: 136

چکیده:

در اين پروژه فناوري سلول سوختي به عنوان مولد انرژي آينده كه در حال حاضر بودجه و تحقيقات بسياري صرف آن مي شود توضيح داده شده است. به علت ميان رشته اي بودن اين فناوري لازم است تا خوانندگان اطلاعات كافي از علم شيمي(به خصوص الكترو شيمي) و مواد و همچنين مكانيك (به خصوص ترموديناميك) داشته  باشند تا در درك مطا لب پروژه دچار مشكل نشوند.

محتويات اين پروژه شامل تئوري عملكرد سلول سوختي, راندمان سلول سوختي, اجزاء سلول سوختي, انواع سلول سوختي و در نهايت سيستم هاي سلول سوختي مي باشد. به طور خلاصه مي توان گفت كه سلول هاي سوختي دستگاه هاي الكتروشيميايي هستند كه انرژي موجود درواكنش هاي شيميايي را مستقيما به انرژي الكتريكي تبديل مي كنند و با حذف مراحل گرمايي و مكانيكي سيكل هاي توليد توان قديمي راندمان سيستم را افزايش و تلفات انرژي را كاهش ميدهند. از مزيت هاي سلول هاي سوختي اينست كه سلول هاي سوختي مي توانند در دماهاي مختلفي كار كنند بر همين اساس با تغييراتي در ساختار و جنس مواد سازنده ي اجزاء آن به خصوص الكتروليت آن, مي توان سلول هاي سوختي توليد كرد كه در دامنه ي دمايي ۶۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتيگراد كار كنند. به همين علت بر حسب نوع الكتروليت, سلول هاي سوختي را به پنج دسته پليمري, قليايي, اسيد فسفريك, كربنات مذاب و اكسيد جامد تقسيم مي كنند. تمام سلول هاي سوختي از آند, كاتد و الكتروليت كه در بين اين دو قرار مي گيرد ساخته شده است كه بر حسب دماي عملكرد و نوع سوخت مصرفي, جنس مواد سازنده انها تغيير خواهد كرد.

سلول هاي سوختي در انواع سيستم هاي مصرف كننده انرژي و توليد كننده انرژي بكار مي روند, دامنه كاربرد اين فناوري از يك لپ تاپ تا كشتي و زير دريايي را شامل مي شود و از مزيت هاي بزرگ آن اينست كه براي هر نوع وسيله اي مي تواند طراحي شود و اندازه ي آن تاثير زيادي بر راندمان آن ندارد . از ديگر كاربردهاي مهم سلول هاي سوختي, استفاده در واحدهاي توليد توان و نبروگاه ها است كه در فصل ششم پروژه چند نمونه از نيروگاه هاي سلول سوختي و نيروگاه هاي تركيبي سلول سوختي با سيكل هاي برايتون, رانكين و برايتون- رانكين به همراه دياگرام توضيح داده شده است.   اميد است تلاش ما در گرداوري و ترجمه اين اثر بتواند اين فناوري را به شما خواننده گرامي بشناساند چرا كه انرژي جهان در آينده نه چندان دور وابسته به اين فناوري خواهد بود. 

 

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                            صفحه

مقدمه.                                                                                                             1

فصل اول..                                                                                                         3

سلول های سوختی..                                                                                          3

1-1- مزاياي سلول‌هاي سوختي..                                                                           4

1-1-1- بازدهي بالا:                                                                                             4

1-1-2- تنظيم سيستم برحسب نياز: ‌                                                                      4

1-1-3-  سازگاري با قوانين زيست محيطي : ‌                                                            5

1-1-4- انعطاف پذيري نسبت به سوخت:                                                                  5

1-1-5- افزايش توليد و كاهش توزيع:                                                                        6

1-1-6- قابليت تركيب شدن با سيستم‌هاي ديگر و توليد انرژي با استفاده از گرماي خروجي ‌ سلول هاي سوختي: 6

1-1-7- عدم نياز به تعمير:                                                                                     7

1-2- تاریخچه سلول سوختي..                                                                              7

فصل دوم.                                                                                                        10

تئوري و عملكرد كلي سلول‌هاي سوختي..                                                             10

2-1- تعريف سلول سوختي..                                                                                11

2-2-  سلول واحد                                                                                              12

2-2-1- اساس كار سلول واحد.                                                                             12

2-3- توده سلول سوختي                                                                                    14

2-3-1- توده دو وجهي ـ دو قطبي                                                                          14

2-3-2- توده‌ سلول‌هاي استوانه‌اي                                                                        15

۲-۴-  سيستم سلول سوختي                                                                             16

2-5- تجهيزات اصلي سيستم‌هاي سلول سوختي..                                                  17

2-5-1- پيش توليد سوخت :                                                                                 17

2-5-2-  منبع هوا :                                                                                             18

2-5-3- كنترل گرما:                                                                                            18

2-5-4- كنترل آب :                                                                                             18

2-5-5- مبدل جريان مستقيم به متناوب :                                                                18

2-6- تقسیم بندی سلول های سوختی برحسب نوع الکترولیت…                                19

2-7- تقسيم بندي برحسب نوع سوخت مصرفي..                                                    19

فصل سوم.                                                                                                      22

راندمان سلول سوختي..                                                                                     22

۳-۱-   انرژي آزاد گيبس و پتانسيل نرنست                                                               24

۳-۲ –  عملكرد ايده‌‌ال                                                                                          27

۳-۳-   موازنه انرژي سلول سوختي..                                                                      30

۳-۴-   راندمان سلول سوختي                                                                              31

۳-۵-   عوامل كاهنده عملكرد مطلوب..                                                                    33

3-5-1- تلفات (قطبش) فعالسازي:                                                                         34

3-5-2- تلفات (قطبش) اهمي:                                                                              34

3-5-3- تلفات (قطبش) انتقال جرم:                                                                        34

۳-۵-5-  قطبش اهمي  :                                                                                     35

۳-۵-6- تلفات انتقال جرم (قطبش غلظتي) :                                                            36

۳-۶-   متغيرهاي موثر بر عملكرد سلول سوختي:                                                     37

۳-۶-۱-  چگالي جريان  :                                                                                     37

۳-۶-۲-   دما و فشار :                                                                                        39

۳-۶-۳-   اثر واكنش دهنده‌ها و تركيب آنها  :                                                            40

فصل چهارم.                                                                                                     43

اجزاي سلول‌ سوختي..                                                                                      43

۴-۱-   الكترودها                                                                                                44

۴-۱-۱-   خصوصيات الكترودها                                                                               44

۴-۱-۲-   نقش خلل و فرج الكترود در عملكرد سلول‌هاي سوختي..                               45

۴-۲-   انواع الكترودها                                                                                         46

۴-۳-  الكترود در سلول‌هاي سوختي با عملكرد در دماي پايين..                                    46

۴-۳-۱-   لايه آب گريز.                                                                                         46

۴-۳-۲-   لايه آب دوست…                                                                                   47

۴-۴-   روش‌هاي پوشش دادن بستر توسط كاتاليزور                                                   48

۴-۵-   عملكرد منفي واكنش‌دهنده‌ها در اطراف الكترود.                                              49

۴-۶-   مسموم كننده‌هاي الكترودهاي حاوي فلزات بي‌اثر.                                           50

۴-۷-   الکترود در سلول های سوختی با عملکرد در دمای بالا.                                     52

۴-۷-۱- الکترودهای سلول های سوختی کربنات مذاب..                                             52

۴-۷-۱-۱-  آند.                                                                                                  52

۴-۷-۱-۲- کاتد.                                                                                                 53

۴-۷-۱-۳-   ساخت الکترودهای سلول های سوختی کربنات مذاب..                              53

۴-۷-۲-   الکترود سلول های سوختی اکسید جامد.                                                  54

۴-۷-۲-۱-   بهینه سازی آند در سلول سوختی اکسید جامد.                                       54

۴-۸-   الکترولیت…                                                                                            55

۴-۸-۱-   رسانایی الکترولیت…                                                                             55

۴-۸-۲-   انواع الکترولیت سلول های سوختی..                                                        56

۴-۸-۲-۱-   الکترولیت پلیمری یا غشای پلیمری با خاصیت تبادل پروتون..                        56

۴-۸-۲-2-   ترکیبات بکاررفته در غشای پلیمری..                                                       56

4-8-2-3-   خصوصیات غشای پلیمری..                                                                   56

۴-۸-۲-4-  مرطوب نگه داشتن غشای پلیمری..                                                        57

۴-۹-   الکترولیت مایع در سلول های سوختی..                                                        58

۴-۱۰-   خصوصیات ماتریس نگهدارنده الکترولیت مایع.                                                59

۴-۱۱-   الکترولیت اسیدی (اسید فسفریک)                                                            60

۴-۱۲-  ماتریس در سلول های سوختی اسید فسفریک…                                          61

4-13- الکترولیت در سلول های سوختی کربنات مذاب..                                             62

۴-۱۴-   ماتریس در سلول های سوختی کربنات مذاب..                                             62

۴-۱۵-   الکترولیت درسول های سوختی قلیایی..                                                     63

۴-۱۶-   ماتریس در سلول های سوختی قلیایی..                                                     63

4-16-1- مراحل ساخت ماتریس آزبست:                                                                 63

4-16-2- مزایای ماتریس فوق..                                                                              64

۴-۱۷-   الکترولیت در سلول های سوختی اکسید جامد.                                             64

۴-۱۸-  كاهش الكتروليت در سلول سوختي داراي الكتروليت مايع و ماتريس متخلخل..       65

۴-۱۹-  توده سلول..                                                                                           68

۴-۱۹-۱-   اجزاي تشكيل دهنده توده سلول..                                                           68

۴-۱۹-۲-   صفحه هاي دوقطبي جداكنندة واحدهاي سلول سوختي در توده سلول..          69

۴-۱۹-۲-۱-   طراحي صفحه هاي دوقطبي..                                                             69

۴-۱۹-۲-۲-  مواد سازندة صفحه هاي دوقطبي..                                                        72

۴-۱۹-۳-  تجهيزات جانبي توده سلول..                                                                   72

۴-۱۹-۳-۱-  چندراهه.                                                                                         72

۴-۱۹-۳-۲-  تنظيم كننده دما و فشار                                                                      73

۴-۱۹-۴-   قاب  سلول..                                                                                       74

فصل پنجم.                                                                                                       78

انواع سلول‌ سوختي..                                                                                        78

۵-۱-   سلول‌هاي سوختي پليمري..                                                                      81

۵-۱-۱-   ساختمان سلول‌هاي سوختي پليمري..                                                      81

۵-۱-۲-   اساس كار سلول‌هاي سوختي پليمري..                                                    82

5-1-3-   تنظيم آب و عملكرد سلول‌هاي سوختي پليمري..                                         83

5-1-4-   رساندن هوا و اكسيدان به سلول ‌هاي سوختي پليمري..                               84

5-1-5-   دماي عملكرد سلول ‌هاي سوختي پليمري..                                                84

5-1-6-   بازدهي توان و انرژي سلول ‌هاي سوختي پليمري..                                       85

5-1-7-  تأثير عوامل متغير روي عملكرد سلول ‌هاي سوختي پليمري..                           86

5-1-7-1-   اثر دما بر عملكرد سلول‌هاي سوختي پليمري..                                         86

5-1-7-2-   اثر فشار بر عملكرد سلول‌هاي سوختي پليمري..                                      86

5-1-8-   توده سلول‌هاي سوختي پليمري..                                                            86

5-1-9-   سوخت در سلول‌هاي سوختي پليمري..                                                    87

5-1-10-   مزيت هاي سلول‌هاي سوختي پليمري..                                                  87

5-1-11-   معايب سلول‌هاي سوختي پليمري..                                                        88

5-1-12-   كاربردهاي سلول‌هاي سوختي پليمري..                                                   88

5-2-   سلول‌هاي سوختي قليايي..                                                                      88

5-2-1-   ساختمان سلول‌هاي سوختي قليايي..                                                      89

5-2-2-   اساس كار سلول‌هاي سوختي قليايي..                                                     90

5-2-3-   اجزاي جانبي سلول‌هاي سوختي قليايي..                                                 91

5-2-4-   سوخت در سلول‌هاي سوختي قليايي..                                                     92

5-2-5-   تأثير عوامل متغير بر عملكرد سلول‌هاي سوختي قليايي..                               92

5-2-5-1-  تأثير فشار بر عملكرد سلول‌هاي سوختي قليايي..                                      92

5-2-5-2-   اثر دما بر عملكرد سلول‌هاي سوختي قليايي..                                          93

5-2-5-3-   اثر تركيب گازهاي واكنش دهنده بر عملكرد سلول‌هاي سوختي قليايي..         93

5-2-5-4-   تأثير تغيير چگالي جريان بر عملكرد سلول‌هاي سوختي قليايي..                    93

5-2-6-   مزاياي سلول‌هاي سوختي قليايي..                                                           94

5-2-7-  معايب سلول‌هاي سوختي قليايي..                                                            94

5-2-8-   مزاياي سلول ‌هاي سوختي قليايي نسبت به سلول ‌هاي سوختي پليمري..      94

5-2-9-  نمونه هايي از كاربردهاي سلول‌هاي سوختي قليايي..                                   95

5-3-   سلول‌هاي سوختي اسيد فسفريك…                                                           96

5-3-1-   ساختمان سلول‌هاي سوختي اسيد فسفريك…                                           96

5-3-2-  اساس كار سلول‌هاي سوختي اسيد فسفريك…                                           98

5-3-3-  تأثير عوامل متغير بر عملكرد سلول‌هاي سوختي سوختي اسيد فسفريك…         99

5-3-3-1-   اثر تغييرات فشار بر عملكرد سلول‌هاي سوختي اسيد فسفريك…                100

5-3-3-2-   اثر تغييرات دما بر عملكرد سلول‌هاي سوختي اسيد فسفريك…                   100

5-3-4-   توده سلول‌هاي سوختي اسيد فسفريك…                                                 100

5-3-5-  مزاياي سلول‌هاي سوختي اسيد فسفريك…                                               101

5-3-6-   معايب سلول‌هاي سوختي اسيدفسفريك…                                                101

5-3-7-   كاربرد سلول‌هاي سوختي اسيد فسفريك..                                              . 101

5-4-   سلول‌هاي سوختي كربنات مذاب..                                                              102

5-4-1-   ساختمان سلول‌هاي سوختي كربنات مذاب..                                              102

5-4-2-  اساس كار سلول‌هاي سوختي كربنات مذاب..                                              103

5-4-3-  سوخت در سلول‌هاي سوختي كربنات مذاب..                                              105

5-4-4-   توده سلول‌هاي سوختي كربنات مذاب..                                                     107

5-4-5-  تأثير عوامل متغير بر عملكرد سلول‌هاي سوختي كربنات مذاب..                        107

5-4-5-1-   اثر دما روي عملكرد سلول‌هاي سوختي كربنات مذاب.                              . 107

5-4-5-2-   تأثیر فشار روی عملکرد سلول های سوختی کربنات مذاب..                         107

5-4-5-3-  تأثیر ترکیب گازهای واکنش دهنده برعملکرد سلول های سوختی کربنات مذاب.. 108

5 -4- 6-  مزایای سلول های سوختی کربنات مذاب..                                                109

5-4-7-  معایب سلول های سوختی کربنات مذاب..                                                   109

5-4-8-   کاربردهای سلول های سوختی کربنات مذاب..                                             110

5-5-   سلول های سوختی اکسید جامد.                                                               110

5-5-1-   ساختمان سلول های سوختی اکسید جامد.                                               111

5-5-2-   اساس کار سلول های سوختی اکسید جامد.                                              111

5-5-3-   انواع سلول های سوختی اکسید جامد.                                                      113

5-5-4-   تأثیر عوامل متغیر بر عملکرد سلول های سوختی اکسید جامد                       . 114

5-5-4-1-   تأثیر دما بر عملکرد سلول های سوختی اکسید جامد.                                 114

5-5-4-2-   تأثیر فشار بر عملکرد سلول های سوختی اکسید جامد.                               115

5-5-4-3-   تأثیر ترکیب سوخت و ناخالصی بر عملکرد سلول های سوختی اکسید جامد.     115

5-5-5-   توده سلول سوختی اکسید جامد لوله ای..                                                   115

5-5-6-   توده سلول سوختی اکسید جامد مسطح..                                                   116

5-5-7-   سوخت در سلول های سوختی اکسید جامد.                                                117

5-5-8-   مزایای سلول های سوختی اکسید جامد.                                                     118

5-5-9-   معایب سلول های سوختی اکسید جامد.                                                     118

5-5-10- کاربردهای سلول های سوختی اکسید جامد.                                                118

5-5-11-  توسعه فن آوری سلول های سوختی اکسید جامد و آینده آن..                         119

نتیجه گیری:                                                                                                      120

منابع : 121

 

 

 

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                            صفحه

شكل(۱-۱):  مقايسه ميزان انتشار اكسيدهاي نيتروژن..                                               5

شكل(۱-۲):  نمونه‌اي از يك اصلاح گر در سيستم سلول سوختي..                                  6

شكل(۱-۳):  سيكل تركيبي توربين گاز و سلول سوختي..                                             7

شكل(۲-۱):  نمايه‌اي از يك سلول سوختي..                                                             12

شكل(۲-۲):  اساس كار سلول واحد سوختي..                                                          13

شكل(۲-۳):  وضعيت قرارگيري يك سلول واحد سوختي در توده سلول..                           14

شكل(۲-۴):  سلول سوختي استوانه‌اي..                                                                 16

شكل(۲-۵):  پيل سوختي استوانه‌اي..                                                                     16

شكل(۲-۶):  خلاصه اي از تجهيزات زير مجموعه اي(sub-system) لازم براي سيستم PEFC و SOFC.. 17

شكل(۲-۷):  فرآيندهاي اصلي در نيروگاه سلول سوختي..                                              19

شكل(۳-۱):  تابعيت دمايي پتانسيل ايده‌ال سلول سوختي(H2/O2 Fuel Cell Ideal Potential) 29

شكل(۳-۲):  نمودار ولتاژ ـ جريان سلول سوختي واقعي وايده‌ال..                                      34

شكل(۳-۳):   رابطه توان – ولتاژ                                                                                 38

شكل(۴-۱):  نمايي از ماتريس الكتروليت…                                                                   59

شكل(۴-۲):  نمايي از يك سلول سوختي با مخزن تزريق الكتروليت به داخل ماتريس….          66

شكل(۴-۳):  نمايي از توده سلول با ماتريس نگهدارنده الكتروليت…                                   67

شكل(۴-۴):  نماي ايزومتريك از يك توده سلول مجاري انتقال دهنده الكتروليت…                   67

شكل(۴-۵):  صفحه هاي انتقال دهنده سوخت و اكسيدان..                                            68

شكل(۴-۶):  صفحه هاي جمع كننده جريان و انتقال دهندة سوخت و اكسيدان (صفحه هاي دوقطبي جداكننده) 69

شكل(۴-۷):  سلول سوختي غشا- الكترود با صفحه هاي جداكننده                                  70

شكل(۴-۸):  سطح صفحه جداكننده در تماس با آند.                                                     70

شكل(۴-۹):  سطح صفحه جداكننده در تماس با كاتد.                                                   70

شكل(۴-۱۰):  مجموعه اي از چند سلول‌ سوختي كه با هم سري شده اند.                      71

شكل(۴-۱۱):  شكل توده سلول مسطح..                                                                  72

شكل(۴-۱۲):  توده سلول سوختي..                                                                        73

شكل(۴-۱۳):  قاب سلول..                                                                                    75

شكل(۴-۱۵):  صفحه انتهايي توده سلول سوختي..                                                    76

شكل( ۴-۱۶):  نماي جانبي توده سلول..                                                                  77

شكل(5-1):  اساس كار سلول‌ سوختي پليمري..                                                       83

شكل(5-2):  اساس كار سلول‌هاي سوختي قليايي به صورت..                                     91

شكل(5-3):  اساس كار سلول سوختي اسيد فسفريك…                                            99

شكل(5-4):  اساس كار سلول‌هاي سوختي كربنات مذاب..                                          104

شكل(5-5):  تبديل سوخت داخلي به صورت مستقيم وغير مستقيم.                             106

شکل (5-6):  برش عرضی سلول سوختی اکسید جامد لوله ای (TSOFC) 112

شكل(5-7):  اتصال سلول هاي اكسيد جامد لوله اي..                                                 114

 

این پایان نامه با آیین نامه نحوه نگارش و تدوین پایان نامه تهیه شده و آماده ارائه میباشد.