بررسی تولید بیوالکتریسیته با استفاده از سلول سوختی میکروبی

Bioelectricity Production Using Microbial Fuel Cell–a Review

چکیده

1 مقدمه

2 انواع سلول های سوخت میکروبی و الکتریسیته تولید شده

3 انواع کاتالیزگرهای مورد استفاده

4 موارد استفاده ی پیل های سوخت میکروبی

5 مسیرهای آینده

6 نتیجه گیری

منابع

چکیده

     این مقاله روش های مختلف تولید نیروی الکتریکی با استفاده از میکروارگانیسم ها در پیل های سوخت میکروبی (MFC) را به طور خلاصه بیان می کند. در دهه گذشته، پیل های سوخت میکروبی به دلیل توانایی تبدیل پسماند آلی به جریان الکتریکی به کمک میکروارگانیسم ها، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کردند. آن ها به عنوان منبع عظیمی از انرژی تجدید پذیر درحال توسعه اند. این دستگاه از بخش های کاتد، آند و یک غشای جداکننده بهره می برد. به طور موثر می توان از آن برای تولید برق و تصفیه فاضلاب استفاده کرد. سلول های الکترولیز میکروبی (MEC) یک نوع پیل سوخت میکروبی هستند که برای تولید سوخت هیدروژن از مواد زیستی مختلف نیز استفاده می شوند. به طور کلی عملکرد پیل سوخت میکروبی به ماهیت میکروارگانیسم ها، الکترودهای انتخابی و غشای جداکننده ی مورد استفاده بستگی دارد. از پیل های سوخت میکروبی به عنوان منبع انرژی پایدار و متناوب برای کاهش آلودگی های صنعتی استفاده می شود. در این مطالعه مروری به شرح مفصلی پیرامون پیل های سوخت میکروبی و روش های مختلف تولید الکتریسیته زیستی و هیدروژن از تصفیه فاضلاب پرداخته شده است.

2- انواع سلول های سوخت میکروبی و الکتریسیته تولید شده

2-1 سلول سوخت میکروبی تک محفظه ای

     سلول سوخت میکروبی تک حفره ای از یک کاتد هوایی و یک آند، با یا بدون غشای جداکننده تشکیل شده است (شکل 1). اگر غشای جداکننده وجود داشته باشد معمولا به کاتد متصل می شود (21). در سلول سوخت میکروبی تک حفره ای به دلیل اکسیداسیون مواد آلی توسط میکروارگانیسم ها، الکترون ها و پروتون های موجود در آند توسط PEM یا چرخه خارجی به کاتد منتقل می شوند (22). عملکرد کاتد، حداکثر نیروی برق تولیدی توسط سلول های سوخت میکروبی دارای کاتد هوایی را تحت تاثیر قرار داد. در این نوع، به دلیل این که در محیط خنثی واکنش اکسایش-کاهش ضعیف است، کاتد نقش مهمی ایفا می کند (6). گزارش شده است که کاتدهای هوایی استفاده شده در سلول های سوخت میکروبی تک حفره ای حجم مایع اندکی دارند (23) و با استفاده از کاتدهای هوایی کوچک، به دلیل تفاوت در فاصله الکترود، ماهیت PEM و ماهیت ماده تلقیحی، بعضی تاثیرات برروی خروجی نیرو نشان داده شد (24،25،26). در یک سلول سوخت میکروبی تک حفره ای متوالی که کربن و گرافیت دانه ای (گرانولی) به عنوان کاتد و آند استفاده شدند حداکثر نیرو به ترتیب در حدود 65 ± 5 W/m3 و 188 ± 7 mA/m3 به دست آمد (27). برای کاهش Cr (VI) در کاتد زیستی که برس گرافیت و دانه گرافیت به عنوان آند و کاتد استفاده شدند، حداکثر چگالی نیرو 6.4 W/m3 ایجاد شد (28). MFC تک حفره ای با الکترودهای پوشیده شده با گرافن به عنوان آند و کاتد، پیک نیروی خروجی حجمی معادل 3.51 ± 0.50 W m−3 ایجاد کرد (29). MFC تک حفره ای با کاتد هوا و برس فیبر گرافیت به عنوان آند، حداکثر چگالی نیرویی در حدود 1460 ± 10 mW m−2 ایجاد کرد (30). SCMFC با درنظر گرفتن نمد کربن به عنوان آند و پوشش کربنی به عنوان کاتد طراحی شد; حداکثر چگالی نیرو 8.3 ± 0.2 W/m3 40 به دست آمد (31). MFC دارای کاتد پلاتینی و کاغذ کربنی به عنوان آند حداکثر چگالی نیرویی معادل 488 ± 12 mW/m2 ایجاد کرد (32).

2-2 پیل سوخت میکروبی دو محفظه ای

     پیل های سوخت میکروبی اغلب به عنوان سیستم های دو حفره ای استفاده می شوند (شکل 2). پیل های سوخت میکروبی دو محفظه ای دارای یک آنود بی هوازی و یک کاتد هوادهی شده هستند. هر دو حفره الکترود با استفاده از یک غشای تبادل پروتون (PEM) یا یک پل نمکی به هم متصل شده اند. باکتری های بی هوازی تشکیل بیوفیلم داده و به آند می چسبند، درحالی که محفظه دیگر با تامین آب و هوا برای کاتد، هوازی می ماند (33، 34، 35). در این سیستم، کاتیون ها به جز پروتون ها از طریق PEM از کاتد به آند منتقل می شوند که باعث کاهش PH در ناحیه آند و افزایش PH در ناحیه کاتد و کاهش پتانسیل کاتد می گردد که به عنوان مرحله محدودکننده در نظر گرفته می شود (36). عوامل مختلفی مانند ماهیت الکترودها، PH، بارالکتریکی خارجی و سرعت جریان نقش مهمی در کنترل عملکرد MFC دارند (37) و به طور گسترده در تولید الکتریسیته استفاده می شوند (38). در یک مطالعه تجربی که از صفحات گرافیت زبر به عنوان کاتد و صفحات گرافیت نرم به عنوان آند و فاضلاب به عنوان منبع استفاده شد، حداکثر چگالی جریان بالغ بر 313 mA/m2 بود (39). از یک پوشش کربنی با چهار لایه انتشار poly-PTFE به عنوان کاتد و برس کربنی تیمار شده با گرما به عنوان آند استفاده شد که حداکثر چگالی جریان 0.49 A/m2 ایجاد کرد. همین آزمایش با پساب متفاوت، به ترتیب حداکثر چگالی نیرو و حداکثر چگالی جریان 554 mW/m2 و 1.0 A/m2 ایجاد کرد (40). ترکیبی از محیط کشت های نیتروژن زدایی شده و بی هوازی غنی شده با Cr (VI) و الکترودهایی از صفحات گرافیت برای آند و کاتد استفاده شد که به ترتیب چگالی جریان و چگالی نیروی حدود 123.4 mA/m2 و 55.5 mW/m2 ایجاد کرد (41). طی فرایند کاهش زیست معدنی MnO2، حداکثر چگالی نیرو 126.7 ± 31.5 mW/m2 ایجاد شده و هنگام کاهش اکسیژن درحالی که از کربن شیشه ای مشبک برای آند و کاتد استفاده می شد، چگالی نیروی کم تری معادل 3.9 ± 0.7 mW/m2 ایجاد شد (42).

اثر ترکیب سلول های سوختی میکروبی بر روی انتشار گازهای گلخانه ای از مرداب های ساخته شده

The influence of incorporating microbial fuel cells on greenhouse gas emissions from constructed wetlands

برجسته ها

چکیده

1- مقدمه

2- مواد و روش ها

2-1- راه اندازی تجربی

2-2- نمونه برداری و تجزیه و تحلیل

2-3- تجزیه و تحلیل داده ها

3- بحث و نتایج

3-3- DO فاضلاب در سراسر سیستم CW-MFC

3-2- تاثیرات مقاومت خارجی بر انتشار گازهای گلخانه ای

3-3- تاثیرات بارگذاری آلی سیال ورودی در انتشار گازهای گلخانه ای

3-4- تغییرات فصلی انتشار گازهای گلخانه ای

4- نتیجه گیری

قدردانی یا سپاسگزای

منابع

چکیده

در سال های اخیر سلول های سوختی میکروبی (MFCs) با تالاب های ساخته شده (CWS) با هدف افزایش و تقویت تصفیه فاصلاب از CWS در حالیکه به طور همزمان برق تولید می کردند، ترکیب شدند. با این حال، هیچ اطلاعاتی در مورد انتشار گاز های گلخانه ای (GHG) از سیستم های ترکیب شده MFC-CW در طول تصفیه فاضلاب در دسترس نیست. بنابراین، این تحقیق به بررسی تاثیر ترکیب MFCs بر میزان انتشار گازهای گلخانه ای (به ویژه و ) از CWS تحت مقاومت های خارجی ، باگذاری آلی ورودی و فصول مختلف می پردازد. نتایج نشان داد که ترکیب MFC به طور قابل توجهی انتشارات گازهای گلخانه ای را (32.4% – 5.9% معادل ) از CWS با کاهش 36.9% – 17.9% انتشار و 38.7% – 7.2% انتشار کاهش داد. میزان انتشار و از CW- MFCs به طور قابل توجهی با افزایش مقاومت خارجی (بالای 500) افزایش یافت، در حالیکه انتشار روند مخالف را نشان داد. با این حال، میزان انتشار و در مقاومت های خارجی زیر 500 تفاوت قابل ملاحظه ای نداشت. یک همبستگی مثبت قابل توجهی بین میزان انتشار و و بارگیری یا بارگذاری آلی ورودی در CW- MFCs، ولی یک همبستگی منفی قابل توجهی بین میزان انتشار و بارگیری یا بارگذاری آلی ورودی وجود داشت. تقاضای اکسیژن شیمیایی سیال ورودی / نیتروژن کل =3 سیال یا جریان ورودی می تواند منجر به دفع یا حذف 90%≤ TN و همچنین حداقل انتشار معادل در CW- MFCs شود. انتشار گازهای گلخانه ای GHG از CW- MFCs تغییرات فصلی قابل توجهی را نشان داد.

نتیجه گیری

ترکیب MFC به طور قابل توجهی انتشار گازهای گلخانه ای GHG را (32.4% – 5.9% معادل ) از CWS با کاهش 36.9% – 17.9% انتشار و 38.7% – 7.2% انتشار کاهش داد. میزان انتشار و از CW- MFCs به طور قابل توجهی با افزایش مقاومت خارجی یا بیرونی (بالای 500) افزایش یافت، در حالیکه انتشار روند مخالف را نشان داد. با این حال، میزان انتشار و در مقاومت های خارجی زیر 500 تفاوت قابل ملاحظه ای نداشت. یک همبستگی مثبت قابل توجهی بین میزان انتشار و و بارگذاری آلی ورودی در CW- MFCs ، ولی یک همبستگی منفی قابل توجهی بین میزان انتشار و بارگذاری آلی ورودی وجود داشت. جریان ورودی می تواند منجر به حذف 90%≤ TN و همچنین حداقل انتشار معادل در CW- MFCs شود. انتشار گازهای گلخانه ای GHG از CW- MFCs تغییرات فصلی قابل توجهی را نشان داد.

Abstract

Microbial fuel cells (MFCs) were incorporated into constructed wetlands (CWs) in recent years aiming to enhance the wastewater treatment of CWs while simultaneously produce electricity. However, currently no information is available about the greenhouse gas (GHG) emissions from integrated CW–MFC systems during wastewater treatment. Therefore, this study investigated the influence of incorporating MFCs on GHG (especially CH4 and N2O) emissions from CWs under different external resistances, influent organic loadings and seasons. Results showed that incorporating the MFC significantly reduced the GHG emissions (by 5.9%–32.4% CO2 equivalents) from CWs by reducing 17.9%–36.9% CH4 and 7.2%–38.7% N2O emissions. The CH4 and N2O emissions from CW–MFCs significantly increased with increasing external resistance (above 500 Ω), while the CO2 emission showed the opposite trend. However, the CH4 and N2O emissions at external resistances below 500 Ω did not differ significantly. There was a significant positive correlation between the CO2 and CH4 emissions and influent organic loadings in CW–MFCs, but a significant negative correlation between the N2O emission and influent organic loadings. Influent chemical oxygen demand/total nitrogen (COD/TN) = 3 could result in a TN removal of ≥90% as well as the minimum CO2 equivalents emission in CW-MFCs. The GHG emissions from CW–MFCs showed significant seasonal variations.

4- Conclusions

Incorporating the MFC significantly reduced the GHG emissions (by 5.9%–32.4% CO2 equivalents) from CWs by reducing 17.9%–36.9% CH4 and 7.2%–38.7% N2O emissions. The CH4 and N2O emissions from CW– MFCs significantly increased with increasing external resistance (above 500 Ω), while the CO2 emission showed the opposite trend. However, the CH4 and N2O emissions at external resistances below 500 Ω did not differ significantly. There was a significant positive correlation between the CO2 and CH4 emissions and influent organic loadings in CW–MFCs, but a significant negative correlation between the N2O emission and influent organic loadings. Influent COD/TN = 3 could result in a TN removal of ≥90% as well as the minimum CO2 equivalents emission in CW-MFCs. The GHG emissions from CW–MFCs showed significant seasonal variations.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

اثر ترکیب سلول های سوختی میکروبی بر روی انتشار گازهای گلخانه ای از مرداب های ساخته شده

The influence of incorporating microbial fuel cells on greenhouse gas emissions from constructed wetlands

روش جدید ردیابی حداکثر توان با سرعت و دقت بسیار بالا، برای سیستم های ترکیبی مبدل انرژی سلول فتوولتائیک/سوخت هیبریدی

Novel fast and high accuracy maximum power point tracking method for hybrid photovoltaic/fuel cell energy conversion systems

چکیده
1- مقدمه
2- روش های MPPT قابل کاربری برای سیستم های PV و FC
2-1- روش های MPPT قابل کاربری در سیستم های PV
2-2- روش های MPPT قابل اعمال بر روی سیستم های FC
3- پیاده سازی روش MPPT پیشنهادی در سیستم ترکیبی PV/FC
3-1- زیرسیستم PV
3-2- زیرسیستم FC
4- نتایج آزمایشی و ارزیابی کارایی
4-1- نتایج آزمایشی مرتبط به زیرسیستم PV
4-2- نتایج آزمایشی مرتبط به زیرسیستم FC
5- جمع بندی

چکیده

در حال حاظر از دو واحد ردیابی نقطه حداکثر توان در سیستم های ترکیبی فوتوولتائیک (PV)/ سلول سوختی (FC) استفاده می شود، یکی برای زیرسیستم PV و دیگری برای قسمت FC، که این امر به شکل قابل توجهی به پیچیدگی پیاده سازی سیستم و همچنین افزایش هزینه می انجامد. این مقاله با معرفی روش نوین و یکپارچه MPPT با سرعت و دقت بالا برای استخراج حداکثر توان از سیستم های مبدل انرژی ترکیبی PV/FC به رفع این مشکل می پردازد. این روش تنها تکنیک MPPT یکپارچه ذکر شده در مقالات بوده که از یک الگوریتم تکی برای ردیابی مداوم نقاط حداکثر توان (MPPs) ماژول PV و بخش FC سیستم های ترکیبی PV/FC استفاده می کند. سیستم مبدل انرژی ترکیبی PV/FC برای ارزیابی کارایی روش ذکر شده ساخته شده است، و به شکل آزمایشی تایید شده که روش MPPT پیشنهادی روند MPPT بسیار دقیق و سریعی را اجرا کرده است، به شکلی که کارایی MPPT در زیرسیستم های PV و FC به ترتیب بالای 99.6 و 99.41 درصد بوده و زمان هم گرایی آن ها نیز بسیار کوتاه و به ترتیب 12 میلی ثانیه و 33 ثانیه می باشد. مقایسه بین روش MPPT پیشنهادی در این مقاله و روش های MPPT امروزی نیز انجام شده، که به شکلی صریح نشان دهنده بالاترین کارایی این روش (99.6% و 99.41%) و همچنین کوتاه ترین زمان همگرایی (12 میلی ثانیه) در مقایسه با روش های امروزی است. لازم به ذکر است که روش ارائه شده 2 وظیفه را انجام داده (ردیابی دو MPP) در حالی که دیگر روش ها تنها یک وظیفه (ردیابی 1 MPP) را انجام می دهند.

1- مقدمه

اخیرا استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، به خصوص انرژی بادی و خورشیدی [1و2]، به دلیل مشکلاتی چون کاهش قابلیت دسترسی سوخت های فسیلی افزایش چشمگیری داشته است. در عمل برای افزایش توان تولیدی و قابلیت اطمینان، منابع انرژی تجدیدپذیر غالبا با دیگر منابع نیرو ترکیب می شوند تا یک سیستم مبدل ترکیبی را مانند سیستم ترکیبی فوتوولتائیک (PV)/ سلول سوختی (FC) ایجاد کنند. یک سیستم PV/FC شامل زیرسیستم PV می شود که به عنوان منبع اصلی توان استفاده شده و یک بسته FC که معمولا به عنوان منبع قدرت آماده به کار استفاده می شود. این پیکربندی موجب می شود تا سیستم مبدل انرژی ترکیبی PV/FC قابل اعتمادتر و قابل کاربری در مصارف صنعتی باشد [4]. در حال حاظر از دو واحد ردیابی نقطه حداکثر توان در سیستم های ترکیبی فوتوولتائیک (PV)/ سلول سوختی (FC) استفاده می شود، یکی برای زیرسیستم PV و دیگری برای قسمت FC، که این امر به شکل قابل توجهی به پیچیدگی پیاده سازی سیستم و همچنین افزایش هزینه می انجامد. این مقاله با معرفی روش نوین و یکپارچه MPPT با سرعت و دقت بالا برای استخراج حداکثر توان از سیستم های مبدل انرژی ترکیبی PV/FC به رفع این مشکل می پردازد. این روش تنها تکنیک MPPT یکپارچه ذکر شده در مقالات بوده که از یک الگوریتم تکی برای ردیابی مداوم نقاط حداکثر توان (MPPs) ماژول PV و بخش FC سیستم های ترکیبی PV/FC استفاده می کنند.

5- جمع بندی

امروزه از دو واحد MPPT در سیستم های ترکیبی PV/FC استفاده می شود: یکی برای زیرسیستم PV و دیگری برای بسته FC، امری که به شکل قابل توجهی هزینه سیستم و پیاده سازی را افزایش می دهد. این مقاله با ارائه روش یکپارچه نوین پرسرعت و دقیق اقدام به رفع این مشکل نمود، روشی که تنها نمونه MPPT یکپارچه در مقالات تا به امروز است. نشان داده شد که این روش تنها از ولتاژ و جریان خروجی ماژول PV و بسته FC سیستم های ترکیبی PV/FC برای ردیابی همزمان MPPهای ماژول PV و بسته FC استفاده می کند. یک سیسنم ترکیبی تولید نیروی PV/FC ایجاد شد، و راندمان عالی روش MPPT یکپارچه به شکل آزمایشی به تایید رسید، به شکلی که کارایی MPPT در زیرسیستم های PV و FC به ترتیب برابر 99.60 و 99.41 درصد بود. همچنین زمان همگرایی آن ها به ترتیب 12ms و 33s اندازه گیری شد. این روش با روش های امروزی MPPT مقایسه شد که نشان دهنده بالاترین کارایی و کمترین زمان همگرایی بین تمامی روش ها بود. علاوه براین روش MPPT این مقاله برای نسخه های مستقل و جدولی PV، FC و سیستم های ترکیبی PV/FC نیز قابل کاربری است.

Abstract

Currently, two maximum power point tracking (MPPT) units are used in hybrid photovoltaic (PV)/fuel cell (FC) systems, one for the PV subsystem and the other one for the FC stack, which significantly complicates the system implementation, and increases cost. This paper addresses this problem by presenting a novel fast and highly accurate unified MPPT technique for extracting maximum output power from hybrid PV/FC energy conversion systems. It is the only unified MPPT technique reported in the literature that uses a single algorithm to concurrently track the maximum power points (MPPs) of both PV module and FC stack used in a hybrid PV/FC system. A hybrid PV/FC energy conversion system has been built to evaluate the performance of the method. It is experimentally verified that the proposed MPPT method performs a very fast and highly accurate MPPT process, so that, the MPPT efficiency in the PV and FC subsystems is more than 99.60% and 99.41%, respectively, along with a very short convergence time of at most 12 ms and 33 s, respectively. Comparison between the MPPT method presented in this work and the state-of-the-art MPPT methods has been also performed that explicitly demonstrates the method has the highest MPPT efficiencies (99.60%, and 99.41%) along with the shortest convergence time (12 ms) compared to the state-of-the-art MPPT methods, while it concurrently performs two tasks (tracking two MPPs) but others perform only one task (tracking one MPP).

1- Introduction

Recently, there has been a rapid increase in the use of renewable energy resources, in particular, solar and wind energy [1,2], due to the problems such as reduction in fossil fuels availability and environmental issues. In practice, to increase rated power and reliability, renewable power sources are often combined with other power sources to arrange a hybrid energy conversion system such as a hybrid photovoltaic (PV)/fuel cell (FC) system [3]. A hybrid PV/ FC system consists of a PV subsystem used as the main power source and a FC stack which is usually used as a standby power source. This configuration makes a hybrid PV/FC energy conversion system more reliable and applicable to industrial applications [4]. Currently, two maximum power point tracking (MPPT) units are used in a hybrid PV/FC system, one for the PV subsystem and the other one for the FC stack that significantly complicates the system implementation. In this study, a novel fast and highly accurate unified MPPT technique applicable to hybrid PV/FC systems is presented to address this problem. The technique uses a single algorithm to concurrently track the maximum power points (MPPs) of both PV module and FC stack.

5- Conclusion

Two MPPT units are currently used in hybrid PV/FC systems, one for the PV subsystem and the other one for the FC stack, which significantly increases the system cost and complication. This study addressed this problem by presenting a novel fast and highly accurate unified MPPT technique that is the only unified MPPT technique reported in the literature. It was shown that the method only uses the output voltages and currents of the PV module and FC stack used in a hybrid PV/FC system to concurrently track the MPPs of both PV module and FC stack. A hybrid PV/FC power generation system was constructed, and the excellent performance of the unified MPPT method was experimentally verified, so that, the MPPT efficiency in the PV and FC subsystems was measured as 99.60% and 99.41%, respectively, along with the convergence time of respectively 12 ms and 33 s. The method was compared to the state-of-the-art MPPT methods that demonstrated it provides the highest MPPT efficiencies along with the shortest convergence time. Furthermore, the MPPT technique presented in this study is applicable to both standalone and grid-connected versions of PV, FC and hybrid PV/FC systems.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

روش جدید ردیابی حداکثر توان با سرعت و دقت بسیار بالا ، برای سیستم های ترکیبی مبدل انرژی سلول فتوولتائیک / سوخت هیبریدی

Novel fast and high accuracy maximum power point tracking method for hybrid photovoltaic/fuel cell energy conversion systems

غشاهای نانوکامپوزینی رسانای پروتون جدید براساس پلی وینیل الکل/پلی وینیل پیرولیدون/ BaZrO3 برای پیل های سوختی غشای تبادل پروتون

New proton conducting nanocomposite membranes based on poly vinyl alcohol/poly vinyl pyrrolidone/BaZrO3 for proton exchange membrane fuel cells

مقدمه

شیوۀ آزمایشی

مواد

سنتز نانوذرات BaZrO3

اماده سازی غشا

جذب آب و دوام اکسایشی غشاها

اندازه گیری جذب آب نانوذرات

اندازه گیری رسانندگی پروتون

طیف FT-IR ATR

اندازه گیری SEM و EDX

ویژگی های گرمایی و مکانیکی

آزمایشات پیل سوختی و MEA

نتایج و بحث

اندازه گیری رسانندگی پروتون و جذب آب

دوام اکسایشی

طیف FT-IR ATR

خواص گرمایی

ویژگی های مکانیکی

عملکرد پیل سوختی

آزمون حیات MEA

نتیجه گیری

چکیده

در این مقاله، برای اولین بار از نانوذرات BaZrO3 به عنوان اکسید آهن ترکیبی با تهیۀ سایت های قوی اسید و ماهیت خوب هیدروفیلی برای آماده سازی غشاهای تبادل پروتون عالی-غیرآلی استفاده شد. غشای نانوکومپوزیتی پلی(وینیل الکل)- BaZrO3 (PB) و پلی وینیل (وینیل الکل)/پلی (وینیل پیرولیدون- BaZrO3(PPB) تهیه شد. غشای نانوکومپوزیتی PPB حاوی 1 wt.% نانوذرات BaZrO3 رسانندگی بالای پروتون (6.01 × 10−2 S/cm) را در دمای 70 °C نشان داد. بیشترین پیک چگالی قدرت 28.98mW/cm2 در Ep,max 0.14 V با چگالی پیک جریان (ip,max) 201 mA/cm2 برای PEMFC بدست آمد که شامل غشاهای نانوکومپوزیتی PPB در دمای 70 °C بود.

4- نتیجه گیری

غشاهای نانوکومپوزیتی پیشرفتۀ مبتنی بر PVA/PVP/BaZrO3 با روش ریخته گری محلول تهیه شدند. PVA، PVP و BaZrO3 به ترتیب به عنوان پلیمر پایه، پلیمر ترکیبی با PVA و تغییر دهنده یا مودیفایر غیرآلی استفاده شدند. گلوتارآلدهید (GA) به عنوان عامل اتصال عرضی استفاده شد. غشاهای نانوکومپوزیتی با 1 wt.% وزن نانوذرات BaZrO3 در حضور PVP به دلیل ویژگی آبدوستی قوی نانوذرات PVP و BaZrO3 جذب آب و رسانایی پروتونی بیشتری در مقایسه با غشاهای PVA نشان دادند. غشاهای نانوکومپوزیتی PVA/PVP/BaZrO3 (با 1 wt.% نانوذرات) 6 × 10−2 S/cm در دمای 70 °C نشان دادند. واکنش های قوی سطح نانوذرات BaZrO3 و واکنش های دورویۀ PVP باعث افزایش ویژگی های مکانیکی غشاهای نانوکومپوزیتی را افزایش می دهد. نتایج آنالیز SEM-EDX اطلاع دقیق و مفصل دربارۀ توزیع همگن نانوذرات در غشاهای نانوکوممپوزیتی ارائه داد. عملکرد الکتروشیمیایی PEMFC برای غشاهای نانوکومپوزیتی PVA/PVP/BaZrO3 (1 wt.% نانوذرۀ (BaZrO3 بر حسب حداکثر چگالی قدرت در 29 mW/cm2 در دمای 70 °C مشاهده شد. اندازه گیری های رسانندگی پروتون و آزمون های پیل سوختی، بهترین ویژگی های غشاهای نانوکومپوزیتی PVA/PVP/BaZrO3 را در بین ترکیبات متعددی که قابلیت غشاهای نانوکومپوزیتی آماده شدۀ آنها به عنوان الکترولیت در دستگاه های پیل سوختی بررسی و اثبات شده بود را تأیید کرد.

Abstract

In this study for the first time, BaZrO3 nanoparticles as mixed metal oxides, with provision of strong acid sites and good hydrophilic nature were used for the preparation of organic–inorganic proton exchange membranes. Poly(vinyl alcohol)–BaZrO3 (PB) and poly(vinyl alcohol)/poly(vinyl pyrrolidone)–BaZrO3 (PPB) nanocomposite membranes have been prepared. PPB nanocomposite membranes containing 1 wt.% of BaZrO3 nanoparticles demonstrated high proton conductivity (6.01 × 10− 2 S/cm) at 70 °C. The highest peak power density of 28.98 mW/cm2 at Ep,max of 0.14 V with a peak current density (ip,max) of 201 mA/cm2 was achieved for the PEMFC which included PPB nanocomposite membranes at 70 °C.

4- Conclusion

Advanced nanocomposite membranes based on PVA/PVP/BaZrO3 were prepared by solution casting method. PVA, PVP and BaZrO3 were used as based polymer, blend polymer with PVA and inorganic modifier, respectively. Glutaraldehyde (GA) was used as crosslinking agent. The nanocomposite membranes with 1 wt.% of BaZrO3 nanoparticle in the presence of PVP due to the strongly hydrophilic character of PVP and BaZrO3 nanoparticles, showed a higher water uptake and proton conductivity compared to those of the PVA based membrane. PVA/ PVP/BaZrO3 nanocomposite membranes (with 1 wt.% of nanoparticle) displayed 6 × 10−2 S/cm at 70 °C. The strong surface interactions of BaZrO3 nanoparticles and great interfacial interactions of PVP increase the mechanical properties of nanocomposite membranes. The results of SEM-EDX analysis have provided detailed information about the homogenous distribution of nanoparticles in the nanocomposite membranes. The electrochemical performance, in terms of the maximum power density, of the PEMFC for PVA/PVP/BaZrO3 nanocomposite membranes (1 wt.% of BaZrO3 nanoparticle) was found at 29 mW/cm2 at 70 °C. Proton conductivity measurements and fuel cell tests approved the best properties of PVA/PVP/BaZrO3 nanocomposite membranes among the numerous compositions explored and established the potentiality of the prepared nanocomposite membranes as electrolytes in fuel cell devices.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

غشاهای نانوکومپوزینی رسانای پروتون جدید براساس پلی وینیل الکل/پلی وینیل پیرولیدون/ BaZrO3 برای پیل های سوختی غشای تبادل پروتون

New proton conducting nanocomposite membranes based on poly vinyl alcohol/poly vinyl pyrrolidone/BaZrO3 for proton exchange membrane fuel cells

مطالعه عددی در مورد تنش های حرارتی از یک سلول سوختی اکسید جامد مسطح

Numerical study on thermal stresses of a planar solid oxide fuel cell

چکیده
1- مقدمه
2 – مدل ریاضی
2-1 – مدل هندسی
2-2 مدل الکتروشیمیایی
2-3- مدل سیال-حرارتی
2-4- مدل تنش حرارتی
3- نتایج و بررسی
3-1- تجزیه و تحلیل سیال-حرارتی
3-2- محاسبه تنش حرارتی
4- نتایج

چکیده

مدل المان محدود سه بعدی (3D) متشکل از الکترود منفی-الکترولیت-الکترود مثبت (PEN) و مونتاژ اتصال فلزی (MIC) با استفاده از نرم افزار تجاری المان محدود ABAQUS ساخته می شود. با مشخصات دمایی شبیه سازی شده در سلول سوختی اکسید جامد مسطح (SOFC) ، روش المان محدود، برای محاسبه توزیع تنش حرارتی در SOFC مسطح استفاده می شود. اثرات مشخصات دمایی، الکترودها و ضخامت الکترولیت و ضرایب عدم تطابق انبساط حرارتی (CTE) بین مولفه ها مشخص می شوند. مقدار و توزیع تنش حرارتی، تابعی از مواد اعمال شده CTE، مشخصات درجه حرارت اعمال شده و ضخامت آند و الکترولیت می باشد. نتایج محاسبه شده را می توان به عنوان راهنمایی برای انتخاب مواد SOFC و طراحی ساختار SOFC استفاده نمود. آند تحت تنش های کششی زیادی قرار می گیرد و در مدت اولین خنک کنندگی از دمای پخت، الکترولیت تحت تنش فشاری بزرگی قرار می گیرد. کاهش شیمیایی NIO به نیکل در آند متخلخل، تا 20 ٪ باعث کاهش سطح تنش مطلق در ساختار PEN می شود. تنش های کششی زیادی در آند و تنش های فشاری بزرگ در الکترولیت، زمانی که که SOFC در درجه حرارت بالا عمل می کند، تا حدی آرام می شود. زمانی که ساختار PEN پس از پخت در حال خنک شدن در دمای اتاق است، ترک ها احتمالا می تواند در ساختار آند ظاهر شوند.

1- مقدمه
سلول های سوخت، کارآمد ترین دستگاه برای تبدیل الکتروشیمیایی انرژی شیمیایی هیدروژن به برق هستند و توجه فزاینده ای را در سال های اخیر برای سازگاری با محیط زیست بدون انتشار سمی یا انتشار سمی کم و تولید برق توزیع شده کارآمد به خود معطوف کرده اند. در سلول های سوختی موجود، سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) با هندسه یکپارچه، مسطح و لوله ای به عنوان یک سلول سوختی با دمای بالا، باعث عملکرد خوبی در تولید انرژی می شود و همچنان به عنوان یک منبع انرژی آینده، نویدبخش است. در طرح های پشته SOFC ، به تازگی طراحی نوع مسطح جلب توجه کرده است، به دلیل اینکه ساخت ساده تر نسبت به اشکال مختلف از طرح های نوع دیگر دارد. علاوه بر این، SOFC نوع مسطح، به دلیل مقاومت الکتریکی پایین به عنوان یک نتیجه از مسیر جریان کوتاه تر، چگالی انرژی بالاتری را نسبت به نوع SOFC لوله ای ارائه می دهد. درجه حرارت معمولی از یک سلول سوختی اکسید جامد 600 تا 1000 درجه است که منجر به تنش های شدید حرارتی و تاب برداشتن بر روی ساختارهای الکترود منفی-الکترولیت- الکترود مثبت ( PEN ) از SOFCs می شود که ناشی از عدم تطابق ضرایب انبساط حرارتی (CTE) از لایه های مختلف در ساختار PEN از SOFCs با توجه به تغییرات دما در طول فرآیند تولید PEN و چرخه حرارتی است. و اینها ممکن است به ترک و نابود شدن ساختار SOFC منجر شود.
4- نتایج
مدل الکتروشیمیایی قطبش کامل سه بعدی و مدل المان محدود تنش حرارتی سه بعدی برای SOFC مسطح در این مقاله استفاده شده است. واکنش اصلاح داخلی و واکنش جابجایی آب-گاز در شبیه سازی ها برای جریان همزمان و ضد جریان در نظر گرفته می شود. با مشخصات دمایی شبیه سازی شده در SOFC مسطح، تجزیه و تحلیل المان محدود برای محاسبه توزیع تنش حرارتی در SOFC مسطح به کار گرفته شده است. اثرات دما، آند و ضخامت الکترولیت و ضریب عدم تطابق انبساط حرارتی بین مولفه ها مشخص و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
نتایج شبیه سازی سیال-حرارتی نشان داد که گرادیان دما در نزدیکی ورودی سوخت برای الگوی ضد جریان بسیار بزرگتر از الگوی جریان همزمان است. تنش حرارتی به طور عمده از عدم تطابق CTE بین مواد مختلف نشات می گیرد. آند تحت تنش کششی زیادی قرار می گیرد و الکترولیت در مدت اولین خنک کنندگی از دمای پخت تحت تنش فشاری بزرگی قرار می گیرد. زمانی که ساختار PEN به دمای اتاق پس از پخت سرد می شود، ترک ها احتمالا می تواند در ساختار آند ظاهر شود. کاهش شیمیایی از NIO به نیکل در آند متخلخل باعث کاهش سطح تنش مطلق در ساختار PEN به اندازه 20 درصد می شود در حالی که در زمان میانگین، این استحکام آند پایین تر نیز می آید. هنگامی که SOFC در دمای بالاتر کار می کند، تنش های کششی در آند و تنش های فشاری در الکترولیت تا حدودی آرام می شود.

Abstract

A three-dimensional (3D) finite element model consists of positive electrode–electrolyte–negative electrode (PEN) and metallic interconnect (MIC) assembly is constructed by using commercial finite element software Abaqus. With the simulated temperature profile in the planar solid oxide fuel cell (SOFC), the finite element method is employed to calculate the thermal stress distribution in a planar SOFC. The effects of temperature profile, electrodes and electrolyte thickness, and coefficients of thermal expansion (CTEs) mismatch between components are characterized. The value and distribution of thermal stress are the functions of the applied materials CTEs, applied temperature profiles and thickness of anode and electrolyte. The calculated results can be applied as the guide for SOFC materials selection and SOFC structure design. The anode is subjected to large tensile stresses and the electrolyte is subjected to large compressive stresses during the first cooling from the sintering temperature. The chemical reduction of NiO to Ni in the porous anode lowers the absolute stress level in the PEN structure by 20%. The large tensile stresses in the anode and the large compressive stresses in the electrolyte relax partly when the SOFC operates at high temperature. Cracks could probably appear in the anode structure when the PEN structure is cooling to room temperature after the sintering.

1- Introduction

Fuel cells are the most efficient devices for the electrochemical conversion of chemical energy of hydrogen into electricity, and have been gaining increasing attention in recent years for environmentally friendly with little or no toxic emission and efficient distributed power generation. In the existing fuel cells, the solid oxide fuel cell (SOFC) with monolithic, planar and tubular geometries, as a high temperature fuel cell, makes a good performance in power generation and continues to show great promise as a future power source. In SOFC stack designs, the planar type design has received much attention recently, because it is simpler to fabricate and easier to be made into various shapes than the other type designs. Besides, the planar type SOFC offers higher power density relative to the tubular type SOFC due to the low electrical resistance as a result of the shorter current paths. A typical operating temperature of a solid oxide fuel cell is 600
Ce1000
C, which leads to severe thermal stresses and warpage on the positive electrodee electrolyteenegative electrode (PEN) structures of SOFCs caused by the mismatch of the coefficients of thermal expansion (CTEs) of various layers in the PEN structures of SOFCs due to the temperature changes during the PEN manufacturing process and thermal cycling. And these may lead to cracks and destroy the SOFC structure.

4- Conclusions

A 3D complete polarization electrochemical model and a thermal stress finite-element model for a planar SOFC are employed in this paper. The internal reforming reaction and water-gas shift reaction are taken into account in the simulations for both co-flow and counter-flow. With the simulated temperature profile in the planar SOFC, the finite-element analysis is employed to calculate the thermal stress distribution in the planar SOFC. The effects of temperature profile, anode and electrolyte thicknesses and coefficients of thermal expansion mismatch between components are characterized and analyzed.

The thermo-fluid simulation results indicated that the temperature gradient near the fuel inlet for counter-flow pattern is much larger than that of co-flow pattern. The thermal stress is mainly contributed by the reason of CTE mismatches between different materials. The anode is subjected to large tensile stress and the electrolyte is subjected to large compressive stresses during the first cooling from the sintering temperature. The cracks could probably appear in the anode structure when the PEN structure is cooled to room temperature after the sintering. The chemical reduction of NiO to Ni in the porous anode lowers the absolute stress level in the PEN structure by 20% while in the mean time the strength of the anode becomes lower too. When the SOFC works at a high temperature, the tensile stresses in the anode and the compressive stresses in the electrolyte relax partly.

طرح سلول فتوولتاییک و سلول پیل سوختی یکپارچه برای تامین انرژی در نواحی دور

Integration of Photovoltaic-Fuel Cell Scheme for Energy Supply in Remote Areas

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

چهارمین کنفرانس بین المللی سیستم های قدرت خاورمیانه

International Middle East Power Systems Conference

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تامین انرژی در مناطق دورافتاده با یکپارچگی سلول سوختی فتوولتائیک

Integration of Photovoltaic-Fuel Cell Scheme for Energy Supply in Remote Areas

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

کنترل انحراف فرکانس به وسیله کنترل هماهنگی پیل های سوختی و خازن های دولایه ای در یک سیستم تولید توان انرژی تجدیدپذیر هیبرید خودکار

Frequency deviation control by coordination control of FC and double-layer capacitor in an autonomous hybrid renewable energy power generation system

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

کنترل انحراف فرکانس توسط کنترل هماهنگی FC و خازن دو لایه  سیستم تولید انرژی

Frequency deviation control by coordination control of FC and double-layer capacitor in an autonomous hybrid renewable energy power generation system

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

ترکیب یک سیستم هیبرید باتری و پیل سوختی با یک شبکه توزیع

Integration of a hybrid fuel cell-battery system to a distribution grid

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

یکپارچه سازی سیستم باتری و پیل سوختی هیبریدی با یک شبکه پخش

Integration of a hybrid fuel cell-battery system to a distribution grid

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

مدل سازی یک سیستم AC مستقل کوچک با استفاده از مدل دینامیکی پیل های سوختی و پنل های خورشیدی

Modeling of a Small Stand-Alone AC System with the Dynamic Models of Fuel Cells and Solar Panels

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

مدل سازی یک سیستم AC مستقل کوچک با استفاده از مدل دینامیکی پیل های سوختی و پنل های خورشیدی

Modeling of a Small Stand-Alone AC System with the Dynamic Models of Fuel Cells and Solar Panels

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

رابط الکترونیک قدرت با کنترل کننده پردازشگر دیجیتال سیگنال، برای تولید توزیع شده مبنی بر پیل سوختی

DSP-Controlled Power Electronic Interface for Fuel-Cell-Based Distributed Generation

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

واسط الکترونیک قدرت با کنترل کننده DSP جهت تولید توزیع شده

DSP-Controlled Power Electronic Interface for Fuel-Cell-Based Distributed Generation

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.