1-5- انواع پیل سوختی………………………………………………………………………… 7
1-5-1- پیل سوختی پلیمری یا غشاء مبادله کننده پروتون…………………………… 7
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم………………………………………………………… 9
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی……………………………….. 10
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت……………………………………………………………….. 10
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم…………………………………………………….. 11
1-7-2- 2-پروپانول………………………………………………………………………………. 15
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم……………………………………………. 15
1-7-3- پروپیلنگلیکول………………………………………………………………………. 16
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم………………………………………….. 16
1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیلهای سوختی……………………………………. 17
1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با بهره گرفتن از بسترهای مختلف……………………….. 18
1-8-1-1- کربن بلک………………………………………………………………………….. 19
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیستهای بر پایه پلاتین………………….. 20
1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC…………………………………..
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول………………………………………………………….. 22
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیستهای برپایه پلاتین……… 23
1-10- اهداف پروژه………………………………………………………………………………….. 29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه…………………………………………………………………………………… 31
2-2- تکنیکهای مورد استفاده……………………………………………………………….. 31
2-3- ولتامتری……………………………………………………………………………………. 32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل…………………………………………………… 32
2-3-2- ولتامتری چرخهای………………………………………………………………….. 32
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخه ای………………. 33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخه ای………………………………………………… 34
2-4- نمودارهای تافل…………………………………………………………………… 35
2-5- روش طیفنگاری امپدانس الکتروشیمیایی………………………………………… 36
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود……………………………………………………………. 48
2-6-1- SEM…………………………………………………………………………………..
2-6-2- EDS………………………………………………………………………………………
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی……………………………………………………………………….. 41
3-2- دستگاههای مورد استفاده…………………………………………………………… 41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری………………………………… 44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن…………………………………………………………. 44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست………………………………………………………………… 44
3-6- آماده سازی الکترود کربنشیشه………………………………………………… 45
فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری
4-1- کلیات………………………………………………………………………………….. 47
4-2- بررسی ریختشناسی و تجزیه عنصری……………………………………………. 47
4-3- ولتامتری چرخهایPt/C در محلول قلیایی…………………………………………. 49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول………………. 51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول…………. 51
4-4-2- بررسی منحنیهای EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول…. 53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول……….. 56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول………… 56
4-5-2- بررسی منحنیهای نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول… 59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپاندیال……….. 60
4-6-1- ولتامتری چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپاندیال…………… 60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپاندیال………………………………… 62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوختهای مختلف…. 64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرامهای چرخهای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی…..65
4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف………67
4-7-3- مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکلها…………. 68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکلهای مختلف… 69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکلهای مختلف.. 72
4-8-نتیجه گیری……………………………………………………………………………………….. 75
4-9-پیشنهادات…………………………………………………………………………………….. 76
4-10-منابع………………………………………………………………………………………. 77
چکیده:
در این پروژه ابتدا نانوکاتالیست پلاتین/کربن به وسیلهی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیم بور هیدرید سنتز شد. ویژگیهای ساختاری و مورفولوژی نانوکاتالیست سنتز شده با بهره گرفتن از طیفسنجی پراکنش انرژی و میکروسکوپ روبش الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت و پایداری نانوکاتالیست Pt/C در الکترواکسیداسیون الکلهای مختلفی مانند متانول، 2- پروپانول و 1و2- پروپاندیال در محیط قلیایی مورد بررسی قرار گرفت. تکنیکهای ولتامتری چرخهای، کرونوآمپرومتری و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی برای بررسی واکنش اکسیداسیون استفاده شدند. Pt/C دانسیته جریان بالایی در اکسیداسیون 1و2- پروپاندیال در مقایسه با متانول و 2- پروپانول نشان میدهد. مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C در اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال مقدار منفی تر نسبت به اکسیداسیون متانول دارد که این امر به دلیل سنتیک سریع واکنش اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال میباشد. نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری تایید میکند که Pt/C دانسیته جریان پایدارتری در اکسیداسیون 1و2- پروپاندیال نشان میدهد. نتایج حاصل از امپدانس الکتروشیمیایی پس از طی 100 چرخه نشان داد که مقاومت انتقال بار در اکسیداسیون 1و2- پروپاندیال کمترین مقدار و برای 2-پروپانول بیشترین مقدار را دارد. دلیل این امر این است که در اکسیداسیون1و2- پروپاندیال مقاومت کاتالیست در برابر جذب حد واسط بالاست و حد واسط ها به راحتی نمیتوانند سایتهای فعال واکنش را مسدود کنند.
فصل اول: مقدمه ای بر پیل های سوختی
1-1- مقدمه
امروزه در استفاده از سوختهای فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین میکنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوختها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوختهای فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوههای یخی، بالا آمدن سطح دریاها، بارانهای اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و … هستند [1].
در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوختهای فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگیهای فراوان است. هیدروژن سبکترین، تمیزترین و پربازدهترین سوخت بهحساب میآید. یکی از ویژگیهای هیدروژن این است که طی فرایندهای الکتروشیمیایی در پیلهای سوختی میتواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. علاوه بر این سوخت، سوختهای دیگری نیز همچون الکلها بهخصوص متانول و اتانول به دلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیرهسازی و حمل آنها نیز مورد توجه قرار گرفتهاند.
2-1- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. معمولاً فرایند تولید انرژی الکتریکی از سوختهای فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است:
– احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل می کند.
– گرمای تولید شده برای بهجوش آوردن آب و تولید بخار استفاده می شود.
– بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرایند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.
– انرژی مکانیکی باعث راهاندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی می شود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمیگیرد، بهعبارت دیگر بهجای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید میشود (شکل1-1).
نکته مهم دیگر که به آن میتوان اشاره داشت این است که این پیلها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و بههمین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آنها بالا میباشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
– آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیلهای سوختی که با هیدروژن کار می کنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آنها هوای اضافی و آب میباشد. این ویژگی نیز باعث شده پیلهای سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگیهایی از جمله دی اکسیدکربن تولید می شود، ولی مقدار این آلودگیها کمتر از آلودگیهایی است که وسایل معمول تولید انرژی بهوجود میآورند.
– وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی میتوان آن را از الکترولیز آب یا سوختهای هیدروکربنی به دست آورد.
– عدم وجود بخشهای متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایدهآل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن میرسد میتواند بینهایت باشد.
– وزن و اندازه.
پیلهای سوختی در ظرفیتهای متفاوتی ساخته می شود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث می شود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
– آلودگی صوتی بسیار پایین.
– راندمان بالا نسبت به فناوریهای دیگر.
3-1- تاریخچه
در سال 1839 ویلیام گرو[1] فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته بهکار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچکتر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل میکرد [1].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند[1] و چارلز لنجر[2] ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاش هایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
[دوشنبه 1399-10-01] [ 12:11:00 ب.ظ ]
|