مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب

عنوان تحقیق: مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب

فرمت فایل: word

تعداد صفحات: 104

شرح مختصر:

پیل های سوختی میکروبیولوژیکی (MFC) به عنوان یکی پتانسیل های مهم در تامین انرژی پاک و تجدید پذیر آینده مطرح می باشند. MFC ها علاوه بر تامین انرژی از نوع الکتریکی که در میان سایر انواع انرژی ها، پرکاربرد ترین و انعطاف پذیر ترین می باشد، نه تنها کوچکترین آلودگی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند بلکه در تصفیه و از بین بردن آلودگی های زیست محیطی از قبیل فاضلاب شهری و شیرابه حاصل از پسماندهای جامد شهری تاثیر بسزایی دارند. فصل اول این تحقیق مروری است بر تکنولوژی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی. فصل دوم به مباحث فنی و مبانی ریاضی پیل های سوختی از بدو تا به امروز می پردازد که پایه و اساس مدل ارائه شده در فصل سوم می باشد. در فصل سوم، با بررسی دقیق تر کارهای ارائه شده توسط محقیقن مختلف و استفاده از فرضیات و همچنین داده های تجربی ارائه شده در مقالات مختلف، مدلی مناسب برای پیل سوختی میکروبیولوژیکی دو محفظه ای (Double Chamber) ارائه شده است که با استفاده از این مدل، نمودارهای مختلف مربوط به توان، شدت جریان و اختلاف پتانسیل حاصل از این نوع پیل سوختی ترسیم شده است. فصل چهارم به ارائه نتیجه گیری کلی در زمینه پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و مدلسازی ریاضی آن ها می پردازد.

فهرست مطالب

چکیده	1
مقدمه	2
فصل اول : درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی	3
1-1) مفاهیم	4
1-2) مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها	7
1-3) میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند	8
1-4) پیکربندی پیل های سوختی میکروبی	12
1-4-1) اجزای MFC	12
1-4-2) سیستمهای MFC دو جزئی	13
1-4-3) سیستمهای MFC تک جزئی	16
1-4-4) سیستمهای MFC نوع Up-flow	19
1-4-5) پیل سوختی میکروبی انباشته (stacked)	21
1-5) عملکرد MFC ها	22
1-5-1) عملکرد ایده آل	22
1-5-2) بازدهی واقعی MFC	24
1-5-3) تاثیر شرایط عملیاتی	26
1-5-4) تاثیر جنس الکترودها	27
1-5-5) بافر pH و الکترولیت	29
1-5-6) سیستم مبادله پروتون	30
1-5-7) شرایط عملیاتی در محفظه آند	31
1-5-8) شرایط عملیاتی در محفظه کاتد	32
1-6) کاربردها	34
1-6-1) تولید الکتریسیته	34
1-6-2) بیوهیدروژن (Biohydrogen)	36
1-6-3) تصفیه فاضلاب	37
1-6-4) سنسورهای بیولوژیکی (Biosensors)	38
1-7) چشم انداز MFC ها	39
فصل دوم : مباحث فنی پیل های سوختی	41
° 2-1) ولتاژ پیل و پتانسیل الکترود ها	42
° 2-2) وابستگی ولتاژ پیل تعادلی به غلظت: معادله عمومی Nernst	44
° 2-3) پتانسیل های فلز/یون فلزی (+M/Mz)	46
° 2-4) پتانسیل های اکسایش/کاهش (RED/OX)	48
° 2-5) کاربرد معادله Nernst در وابستگی پتانسیل RedOx به غلظت	50
° 2-6) محاسبه پتانسیل های تعادلی الکترود	51
° 2-7) الکترود هیدروژن	52
° 2-8) الکترودهای فلز/نمک نامحلول/یون	54
° 2-9) الکترود کالومل	56
° 2-10) الکترود نقره/کلرید نقره	57
° 2-11) الکترود جیوه-سولفات جیوه	59
° 2-12) پتانسیل الکترود های استاندارد	60
° 2-13) غلظت و فعالیت	62
° 2-14) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل نقطه-بار	63
° 2-15) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل اندازه محدود یون	65
° 2-16) تصحیح Stokes-Robinson تئوری Debye-Hückel تاثیر اثر متقابل یون-حلال	66
فصل سوم :مدلسازی ریاضی پیل سوختی میکروبیوژیکی	68
3-1) ساختار کلی MFC مورد نظر برای مدلسازی	69
3-2) توسعه مدل	69
3-3) سرعت واکنش ها	71
3-4) حل مسئله	78
3-5) محاسبه پارامترها	78
3-6) بحث و نتیجه گیری	83
فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادات	84

منابع و ماخذ	86
فهرست منابع فارسی	86
فهرست منابع لاتین	87
سایت های اطلاع رسانی	97
چکیده انگلیسی	98

فهرست جدول ها

1-1: میکروب ها و سوبسترا هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند	9
1-2: اجزای اساسی تشکیل دهنده پیل سوختی میکروبی	13
1-3: واکنش هایی که در سطح الکترودها رخ می دهند و پتانسیل احیاء آن ها	24
2-1: پتانسیل الکترودهای استاندارد	61

فهرست شکل‌ها

1-1: نمای شماتیک یک پیل سوختی میکروبی	5
1-2: انتقال الکترون در ماتریس میان سلولی به آند	10
1-3: فرآیندهای بنیادی که در فرآیند انتقال الکترون ها به آند نقش دارند	11
1-4: شماتیک پنج نمونه MFC دو محفظه ای	14
1-5: شماتیک پیل ساخته شده توسط Min و Logan در سال 2004	16
1-6: شماتیک نمونه های دیگری از پیل سوختی میکروبی	17
1-7: شماتیک پیل سوختی ساخته شده توسط Liu و همکارانش در سال 2004	19
1-8: شماتیک دو نمونه پیل سوختی میکروبی از نوع Upflow	20
1-9: شماتیک یک نمونه MFC انباشته	21
2-1: تصویر شماتیک یک پیل الکتروشیمیایی	43
2-2: اختلاف پتانسیل تماس بین دو هادی غیر همجنس؛ EF سطح	44
2-3: سیستم اکسایش/کاهش Fe3+/Fe2+	49
2-4: نمای شماتیک الکترود هیدروژن	53
2-5: نمای شماتیک الکترود کالومل اشباع (SCE)	57
2-6: الکترود نقره-کلرید نقره	58
2-7: پتانسیل الکترودهای مرجع در °C25	60
2-8: پتانسیل استاندارد نسبی، E°، الکترود Cu/Cu2+	61
2-9: یک الکترود با پتانسیل کمتر همواره یون های الکترود دیگر با پتانسیل بیشتر را احیاء خواهد کرد	62
2-10: منحنی تغییر ضریب فعالیت γ± با √mol/L در دمای °C25	64
2-11: منحنی مقایسه ضرایب فعالیت تجربی با مقادیر تئوری با استفاده از تصحیح هیدراسیون	67
3-1: نمای شماتیک محفظه آند و لایه کرزی مبادله جرم	70
3-2: تغییرات غلظت سوبسترا و ماده واسط در شرایط استاندارد	79
3-3: تغییرات شدت جریان با زمان	79
3-4: تغییرات مقدار بار تولید شده با زمان	79
3-5: منحنی مدل سازی شده شدت جریان با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337	80
3-6: منحنی مدل سازی شده مقدار بار تولید شده با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337	81
3-7: منحنی مدل سازی شده ولتاژ با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i0,ref=0.01 A/m2 و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم LL=100m	82
3-8: منحنی مدل سازی شده توان تولید شده با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i0,ref=0.01 A/m2 و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم LL=100m	82

تحقیق پیل های سوختی

عنوان تحقیق: پیلهای سوختی

قالب بندی: WORD

تعداد صفحات: 42

شرح مختصر:

یکی از موارد مهمی که بشر از ابتدا به عنوان یک چالش اساسی با آن مواجه بوده است یافتن روشهای نوین و پر بازده تبدیل انرژی سوختها به انرژی قابل استفاده بوده است شاید بتوان اولین تجربه انسان در این راه را ساخت ماشینهای اولیه بخار دانست این ماشینها دارای راندمان بسیار پایین بودند بعد از اختراع موتورهای احتراق داخلی توسط اتو این راندمان نسبتا بهبود یافت و به مرز 7 % در موتورهای اولیه رسید با پیشرفت علم ترمودینامیک سیکلهای احتراقی بهتری پا به عرصه گذاشتند هر چند برخی از آنها یا قابل اجرا نبودند یا با مشکلات ساخت و تجهیزات پیچیده مواجه بودند. بهترین سیکل حرارتی کاربردی که تا کنون مورد استفاده بشر قرار گرفته است سیکل ترکیبی برایتون – رانکین می باشد که در نیروگاههای حرارتی تولید برق مورد استفاده قرار گرفته است و بازده آن قریب به 45 % می باشد اما امروزه بشر به فن آوری جالب پیل سوختی به عنوان جانشین بسیار مناسب برای موتورهای احتراق داخلی می اندیشد از آنجاییکه این وسیله از سیکل کارنو تبعیت نمی کند و بصورت مستقیم و بواسطه فرآیند الکتروشیمیایی ، انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید می توان بسته به نوع سوخت راندمانی بین 80 % برای سوخت هیدروژن خالص و 30 % برای گاز متان داشته باشد.

امروزه پیل سوختی به یک رقیب مناسب برای توربینهای گاز در نیروگاهها ، موتورهای احتراق داخلی در خودروها و باطریها در کامپیوترهای کیفی تبدیل شده است جریان مستقیم تولید شده توسط پیل سوختی را می توان برای کاربردهای الکتریکی بویژه بکارانداختن موتورهای الکتریکی و روشنایی استفاده نمود.

یکی از شیوه های اساسی که تکنولوژی آن در دهه اخیر به سرعت توسعه یافته است استفاده از پیلهای سوختی جهت تأمین همزمان الکتریسیته و حرارت به روش الکتروشیمیایی می باشد در این روش که به عبارتی می توان آن را عمل الکترولیز معکوس قلمداد کرد انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوختهای فسیلی بدون احتراق استخراج می گردد این سیستمها در مقایسه با سایر روشها از کارائی زیادی برخوردار بوده و آلودگی بسیار کمی تولید می کند. با توجه به اینکه پیلهای سوختی بصورت شیمیایی برق تولید می کنند خیلی بهتر از احتراق خواهند بود آنها محدودیت قوانین ترمود ینامیک را که واحدهای تولید قدرت مرسوم دارند ندارند بنابراین پیلهای سوختی بازده بسیار بیشتری در تولید انرژی از یک سوخت خواهند داشت همچنین با افزایش هر چه بیشتر بازدهی سیستم می توان اتلاف گرما از بعضی سلولها را مهار کرد.

همانطور که می دانیم در اتومبیل ها وسایل زیادی نظیر کولر، گرم کن، رادیو و ... با نیروی مکانیکی تولید شده و یا با باتری داخل اتومبیل تغذیه می شوند. بنابراین اگر در هنگام حرکت از این وسایل استفاده شود مقداری از نیروی موتور صرف تغذیه ی این وسایل می شود. و می توان گفت که استفاده از این وسایل تقریبا مداوم و بی وقفه است. یکی از اولین کاربرد های پیل های سوختی مذکور تامین انرژی لازم برای وسایلی نظیر کولر ، بخاری ، رادیو و ... در اتومبیل های سنگین است. در حالتی که اینگونه اتومبیل ها در جا کار نمی کنند بلکه در حال حرکت هستند. زیرا اگر انرژی لازم برای این وسایل در حالت درجا کار کردن از موتور گرفته شود مشکلی به وجود نمی آید. اما اگر اتومبیل در حال حرکت باشد مقداری از نیروی موتور به جای اینکه صرف جلو بردن اتومبیل شود صرف به کار انداختن این وسایل می شود.

فهرست مطالب:

فصل اول: مقدمه ای بر انواع پیلهای سوختی

1-1 مقدمه

1-2 پیل سوختی چیست؟

1-3 تاریخچه پیل سوختی

1-4 معرفی انواع پیل سوختی

1-4-1 پیل‌سوختی اسید فسفریک

1-4-2 پیل‌سوختی قلیایی

1-4-3 پیل‌سوختی کربنات مذاب

1-4-4 پیل‌سوختی اکسید جامد

1-4-5 پیل‌سوختی متانولی

1-4-6 پیل سوختی سرامیکی پروتونی

1-4-7 پیل‌سوختی پلیمری

فصل دوم: شناخت فنی پیل سوختی متانولی

2-1 اجزای پیل‌‌‌‌سوختی متانولی

2-1-1 الکترود آند

2-1-2 روش تهیه لایه کاتالیست

2-1-3 الکترود کاتد

2-1-4 لایه نفوذ گاز

2-1-5 صفحات دو قطبی

2-2 تهیه MEA

2-3 فرآیند تولید سری پیل‌سوختی متانولی

2-4 سری‌های با صفحه دوقطبی

2-5 مجموعه غشا/الکترود

2-7 لایه‌های نفوذ گاز

2-8 مسیرهای جریان گاز در صفحات دوقطبی یا در صفحات انتهایی/گیرنده‌های جریان

2-9 صفحات دو‌قطبی

2-10 سیستم پیل سوختی

2-11 نتیجه گیری وپیشنهادات

منابع و مراجع