پیل سوختی
پیل سوختی نوعی مبدل انرژی هست که انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت را بدون نیاز به احتراق به انرژی الکتریکی و گرما تبدیل می کند. در نیروگاه ها نیز انرژی شیمیایی سوخت به انرژی الکتریکی تبدیل می شود، اما به احتراق متکی هستند که بازده کلی تبدیل انرژی کمی دارد.
پیلهای سوختی بسته به ترکیب نوع سوخت و اکسید کننده، نوع الکترولیت، دمای نقطه کار، نحوه نغذیه واکنش دهنده ها توسط منیفولدهای داخلی یا خارجی تقسیم بندی می شوند. از نظر تئوری، هر ماده ای که قادر به اکسیداسیون شیمیایی باشد و سیال بودن خود را به طور مداوم حفظ کند، می تواند به عنوان سوخت در آند یک پیل سوختی استفاده شود. هیدروژن گازی به دلیل واکنش پذیری بالا ، امکان تولید از هیدروکربن ها و چگالی انرژی بالای آن در هنگام ذخیره، به سوخت انتخابی پیلهای سوختی تبدیل شده است. از طرفی، اکسیژن رایج ترین اکسیدکننده ای هست که بطور فرآوان در هوا موجود بوده و به راحتی در یک محیط بسته قابل ذخیره می باشد.
پیل های سوختی، بر اساس نوع الکترولیت، در انواع قلیایی (AFC)، اسید فسفریک (PAFC)، کربنات مذاب (MCFC)، الکترولیت پلیمری (PEFC)و اکسید جامد (SOFC) مورد استفاده قرار می گیرند. نوع پیل سوختی اکسید جامد دارای مزایای خاصی است که میتوان آنرا در سیستم هیبریدی با توربین گاز مورد استفاده قرار داد.
پیل سوختی اکسید جامد
سلول های سوختی اکسید جامد از مواد جامد ساخته می شوند و در آن، از سرامیک اکسید رسانای یونی به عنوان الکترولیت استفاده می شود. دمای نقطه کار آن بالا و در محدوده 900 تا1000 درجه سانتی گراد است. الکترولیت های مایع اغلب خورنده هستند لذا در مقایسه با سایر انواع پیل سوختی، این نوع مشکلات کمی در بخش الکترولیت دارد. علاوه بر این، بالاترین راندمان را در بین تمام سلول های سوختی دارا می باشد (50-60%) و برای کاربردهای ترکیبی حرارت و نیرو قابل استفاده می باشد. پیل سوختی اکسید جامد، بدون نیاز به هیدروژن خالص و با استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت، تولید برق، آب، گرما و مقادیر کمی دی اکسید کربن میکند.
گاز طبیعی از طریق فرآیند اصلاح بخار در یک واکنش شیمیایی، تولید هیدروژن (H2)، مونوکسید کربن (CO)، دی اکسید کربن (CO2) و بخار (H2O) می کند. مقداری گاز طبیعی اصلاح نشده نیز در ترکیب باقی می ماند. این عناصر وارد بخش آند پیل سوختی می شود. همزمان، هوا در سمت کاتد وارد پیل سوختی می شود. اکسیژن موجود در هوا با الکترون های آزاد ترکیب می شود و یون های اکسید را در کاتد تشکیل می دهد. یون های اکسید از طریق الکترولیت از کاتد به آند می روند. در آند، یون های اکسید در واکنش با هیدروژن تولید بخار آب و در واکنش با مونوکسید کربن تولید دی اکسید کربن می دهند. این واکنش ها الکترون هایی را آزاد می کنند که از طریق مدار الکتریکی خارجی به کاتد می روند و بدین ترتیب جریان الکتریکی برقرار می شود.
راندمان الکتریکی پیلهای سوختی اکسید جامد تا 60% میرسد. این بدان معناست که 60% از انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت به انرژی الکتریکی مفید تبدیل میشود. علاوه بر این، استفاده از گرمای اضافی تولید شده توسط پیل سوختی برای اهداف گرمایش در یک سیستم تولید همزمان، راندمان کلی را به بیش از 80% افزایش می دهد.
دمای نقطه کار بالا در پیل سوختی اکسید جامد، این امکان را فراهم می سازد تا بتوان از این نوع پیل بصورت هيبريدی بـا انـواع سيكل هاي ديگر تبدیل انرژی استفاده نمود.رعلاوه بر این، سـوخت هاي معمـولی هيـدرژن، متـان، آمونياك را میتوان بطور مستقیم در این پیل مورد استفاده قرار داد.
هيبريد پيل سوختي اكسيد جامد و توربين گاز
توربین گاز در یک چرخه برایتون با سیال عامل هوا کار می کند. هوا در کمپرسور متراکم می شود و دمای این هوای متراکم در محفطه احتراق افزایش می یابد و در نهایت در یک فرایند انبساطی در توربین، انرژی هوای داغ و متراکم به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل می شود که میتواند در ژنراتور کوپل شده با محور توربین به انرژی الکتریکی تبدیل شود.
در توربین گازهای معمولی افزایش دمای هوای متراکم در محفظه احتراق بکمک فرایند احتراق سوخت انجام می پذیرد که همراه با تولید گازهای آلاینده محیط زیست است. حال اگر بتوان منبع گرمایی دیگری را برای افزایش دمای هوای متراکم خروجی از کمپرسور، جایگزین محفظه احتراق نماییم، سیکل برایتون برقرار بوده و پروسه تولید برق در ژنراتور برقرار خواهد بود.
با آنچه در مورد پیل سوختی اکسید جامد گفته شد، استفاده مستقیم از گاز طبیعی و بالا بودن دمای نقطه کار، دو ویژگی اساسی آن می باشد. که این امکان را فراهم می آورد تا چنین پیل سوختی چایگزین محفظه احتراف توربین گاز گردد. در اینجالت ضمن اجتناب از انتشار گازهای آلاینده محیط زیست، راندمان کل فرایند افزایش چشمگیری خواهد داشت.
جفت شدن یک پیل سوختی اکسید جامد با یک توربین گاز، افزایش قابل توجهی در راندمان سیستم کل ایجاد میکند. چالش فعلی، عمر کوتاه پیل سوختی است که توجیح اقتصادی چنین سیستمهایی را محدود می سازد.
در سال 2000 اولین آزمایش های عملی سیستم های هیبریدی پیل سوختی توربین گاز در ایالات متحده و ژاپن آغاز شد. دو سیستم هیبریدی MCFC و SOFC ساخته و آزمایش شدند که هر کدام قابلیت چنین سیستم هایی را برای دستیابی به راندمان بالا و تولید برق با انتشار کم کربن اثبات می کند. تا به امروز پنج سیستم پیل سوختی توربین گاز هیبریدی آزمایش شده اند که هر کدام از یک مفهوم طراحی متفاوت استفاده می کنند.
مفاهیم اولیه به کار رفته در طراحی سیستم هیبریدی پیل سوختی توربین گاز عبارتند از:
- اکسیداسیون هر چه بیشتر سوخت در پیل سوختی با هدف کاهش انتشار آلاینده های کربنی و افزایش راندمان کل تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی الکتریکی
- استفاده از حرارت تولیدی پیل سوختی و گرمای خروجی توربین در بخش دیگری از سیستم
- استفاده از فشار بالای تولید شده در کمپرسور توربین گاز برای بهبود کارایی پیل سوختی
- استفاده از جریان های مجزای سوخت و اکسیدکننده در پیل سوختی برای جداسازی CO2 و در صورت امکان تولید سوخت مصنوعی
قرارگیری یک پیل سوختی در شرایط فشار بالا، بین کمپرسور و توربین، منجر به افزایش در توان خروجی پیل سوختی و کاهش برخی از تلفات الکتروشیمیایی می شود. علاوه بر این، این واقعیت که یک پیل سوختی با جریان های مجزای سوخت و اکسیدکننده کار کند به جداسازی آسان تر CO2 کمک می کند. امکان تولید سوخت هیدروژن و هیدروکربن مصنوعی جنبه های هم افزایی این نوع سیستم هیبریدی است که به تجزیه و تحلیل ها و آزمایشات در این زمینه اهمیت مضاعف می دهد.
پیل سوختی و توربین گاز یک سیستم هیبریدی را می توان به چندین روش مختلف، از جمله روش تاپینگ و روش باتومینگ پیکربندی کرد.
چرخه تاپینگ پیل سوختی
چرخه تاپینگ پیل سوختی چرخهای است که در آن توربین گاز بعنوان بخش فرعی فرایند (BOP) در نظر گرفته شده و در پایین دست پیل سوختی در چرخه قرار می گیرد. از نگاهی دیگر، پیل سوختی به جای محفظه احتراق در چرخه برایتون قرار می گیرد.
در حالی که سلول سوختی مولد برق اولیه است، توربین از حرارات خروجی پیل سوختی برای تولید نیروی الکتریسیته اضافی استفاده می کند.
چرخه باتومینگ پیل سوختی
چرخه باتومینگ پیل سوختی چرخه ای است که در آن توربین گازی در بالادست پیل سوختی قرار می گیرد و از خروجی توربین گاز به عنوان جریان تامین هوا استفاده می کند.
در این حالت نیز پیل سوختی مولد برق اولیه باقی می ماند. برای ساخت یون های کربنات، این نوع پیل سوختی به دی اکسید کربن در جریان اکسیداسیون نیاز دارد.
بازدیدها: 28
