وبلاگ

انرژی از دیر باز به عنوان موتور محرک جوامع بشری شناخته شده است و با پیشرفت بشر بر اهمیت و تأثیر گذاری آن در زندگی بشر افزوده شده است. بر این اساس هیدروژن به عنوان یکی از سوختهای پاک یکی از بهترین گزینه ها جهت ایفای نقش حامل انرژی در این سیستم جدید ارائه انرژی می  باشد ]1[. بشردرآینده ای نه چندان دورعصر هیدروژن راتجربه خواهدکرد]1و2[. عمل تبدیل انرژی شیمیایی موجود در هیدروژن به انرژی الکتریکی توسط دستگاهی به نام پیل سوختی انجام می پذیرد]3[. پیل های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش به سزایی را ایفا می کنند و به خاطر عدم به کارگیری قطعات  مکانیکی زیاد ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی نمایند]3[. پیل های سوختی به عنوان یک منبع بسیار ایده آل انرژی برای استفاده های ساکن وغیر ساکن ، نظیر حمل ونقل و نیرو گاه ها می باشند .در این بین پیل های سوختی اکسید جامد (SOFCs) بدلیل مزایایی نظیر قیمت ارزانترمواد مورد استفاده درآنها، حساسیت کمتر به ناخالصی های گاز هیدروژن وکارایی بسیار بالاتر یکی از جذاب ترین انواع پیل های سوختی می باشد. این پیل های سوختی به دلیل اینکه هیدروژن ورودی به آنها نیاز به هیچ گونه تغییر و خالص سازی اولیه  ندارد، به شدت از نظر قیمت نسبت به سایر پیل های سوختی ارزان تر می باشند]4[. پیل های سوختی اکسید جامد از سه بخش آند و کاتد و الکترولیت تشکیل شده اند. اساس عملکرد یک پیل سوختی اکسید جامد شامل احیای یک اکسنده (O2) درکاتد و اکسایش یک سوخت (H2) در آند می باشد. در این پیل ها نیاز به یک الکترولیت هادی یون اکسیژن و پروتون، برای واکنشهای الکتروشیمیایی اکسایش و کاهش اکسیژن و هیدروژن، انجام شده درالکترودها می باشد]5[.

امروزه در پیل های سوختی اکسید جامد بطور گسترده از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود. هیدروژن از منابع مختلف مانند: گازطبیعی، گازهای سنتزی حاصل از تبخیر منابع کربنی و زغال وغیره بدست می آید. هیدروکربنها نیز بطور گسترده به عنوان سوخت این پیل ها رواج پیداکرده اند. سوختهای هیدروکربنی معمولا در دماهای بالای عملکرد پیل سوختی اکسید جامد ناپایدارند و برروی آند به هیدروژن و کربن تبدیل می شوند. سوختهای هیدروکربنی بطور معمول مقدارکمی سولفوربه همراه دارند. کربن حاصل از تجزیه هیدروکربنها و سولفور موجود درآنها مشکلاتی برای عملکردپیل  ایجاد می کنند. برای جلوگیری از نشست کربن در سطح آند معمولا مقداری بخاراضافه به همراه گاز استفاده می شود و همچنین تغیراتی نیز در ترکیبات موادآندداده میشود. برای جلوگیری از سمی شدن پیل توسط سولفور معمولا سوخت را سولفور زدایی می کنند]5[.

 در سالهای اخیر تحقیقات گسترده ای بر روی مواد، کاتالیزورها، علوم سطح و خواص الکتروشیمیایی آندها انجام شده است] 4[. آندهای

 مورد استفاده در پیل های سوختی اکسید جامد از مواد و تنوع وگستردگی فراوانی برخوردارند. و از روشهای ساخت و سنتزمختلفی برای سنتزپودر و ساخت این آندها استفاده می شود. دوویژگی برجسته آند این پیل ها برای انتخاب ماده مناسب برای آند برای کارکردمناسب، الف)رسانایی یونی، ب)رسانایی الکترونی می باشد. زیرکونیا به عنوان یک ماده که به طور ذاتی دارای نقص جای خالی در ساختارمی باشد، یکی ازبهترین گزینه ها برای استفاده درآند این پیل ها می باشد.

     در این تحقیق از سنتز هم رسوبی برای تهیه محلولهای جامد استفاده شد. این روش بدلیل تولید ترکیباتی همگن و با خلوص بسیار بالا ، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار بوده و علاوه بر آن کنترل اندازه دانه نیز در این روش بسیار آسان است]12[. هنگامی که زیرکونیا در دماهای پایین به روش هم رسوبی سنتز می شود امکان پایداری فاز تتراگونال به PH و هیدرولیز کننده مورد استفاد،وابسته می شود. در این تحقیق به روش سنتز همرسوبی، 3 محلول جامد، الف)Al-Zr، ب)Al-Zr-Ni،
ج)Al-Zr-Ni-Cu تهیه و آماده سازی شد. این محلول های جامد به عنوان مواد جدید برای استفاده در آند پیل های اکسید جامد طراحی و آماده شدند. ارزان بودن، غیرسمی بودن، سنتزآسان، تکرارپذیری تولید از جمله مزایای این مواد است. یکی از موارد مهم برای تولید و ساخت آندها در پیل سوختی اکسیدجامد، متخلخل بودن این آندها می باشد. این آندها باید دارای تخلخل با اندازه و توزیع یکنواخت باشند. که به این منظور از موادی مانند کربن و مواد دیگری برای متخلخل سازی استفاده می کنند]13[. دراین تحقیق برای متخلخل سازی آند چند نوع مختلف تخلخل زای، ارزان  قیمت و مناسب در آند استفاده شد. که نهایتا منجر به به استفاده از  PEGبه عنوان تخلخل ساز مناسب شد.پس از سنتز و تهیه محلول های جامد، موادحاصل ابتدا در دمای 500 درجه سانتیگراد عملیات حرارتی شدند و سپس برای تعیین تثبیت فازی و زینترینگ نهایی در دماهای800 و1000 و1200 و14700 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی شدند.پس ازآن پودرهای حاصل با دو روش تر و خشک با چند نوع تخلخل زا ترکیب و با روش پرس هیدرولیک یکطرفه شکل دهی شده و عملیات حرارتی نهایی در14700 درجه سانتیگراد بر روی آنها صورت گرفت. قطعات آندی که دارای تخلخل مناسب و توزیع و اندازه تخلخل یکنواخت و استحکام کافی بودند، انتخاب شده و چگالی آنها به روش ارشمیدس اندازه گیری شد.

در فصل دوم این پایانامه مفاهیمی در مورد نانو فناوری و نانو محلول جامدها ارائه گردیده است. در ادامه مفاهیم کلی و واکنشهای انجام شده در انواع پیل های سوختی شرح داده شده است.

سپس مفاهیم کلی و عمومی در موردآندهای پیل سوختی اکسید جامد، روشهای ساخت و مواد بکار برده شده در آنها، مورد بحث و بررسی قرارگرفته است. درفصل سوم ابتدا به مواد مورد استفاده در این پروژه پرداخته شده است. در ادامه روشهای انجام آزمایش(مواد و تجهیزات)ارائه داده شده و در بخش آخر دستگاهها و لوازم مورد استفاده جهت بررسی و خواص نمونه ها تشریح گردید. درفصل چهارم نتایج حاصل از آزمایشات و بحث های مربوطه ارائه گردیده است. فصل پنجم نتیجه گیری  کلی از این تحقیق رابیان می کند.

فصل دوم: مروری بر منابع مطالعاتی

1-2- فناوری نانو

فناوری نانو واژه ای است کلی به تمام فناوری های پیشرفته در عرصه کار با اندازه نانو اطلاق میشود معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود1 تا 100نانومتر می باشد. در شکل2-1 اندازه های مختلف از1 متر تا 1 نانو متر نشان داده شده است. ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان ( فضای زیادی در سطوح پائین وجود دارد) ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده ای نزدیک می توانیم مولکول ها و اتم ها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم. واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توكیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد دقیقی كه تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می باشد به کاربرد، در سال 1984 این واژه توسط كی اریك دركسلر در کتابی تحت عنوان (موتور افرینش: آغاز دوران فناوری نانو) باز آفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شكل عمیق تری در رساله دكترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آن را در کتابی تحت عنوان (نانو سیستم ها، ماشین های مولكولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها) توسعه داد. نانو تکنولوژی در ترجمه لفظ به لفظ، به معنی تکنولوژی بسیارکوچک (نانو، به معنی بسیار بسیار کوچک، مقیاس10 به توان منفی 9 ) می باشد[131و167].

2-2- خواص نانو ذرات

در تكنولوژی نانو اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانو ذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی واکنش پذیری نانو ذرات را به شدت افزایش می دهد. زیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتمها یا مولکولهای موجود در توده نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه ای شدن دارند]132[. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزوها و ساختارهایی همچون الکترودها می باشد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می توان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید نانو کامپوزیت ها با استفاده از این ذرات، پیوندهای شیمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرارکرده تا استحکام آن به شدت افزایش یابد]133[. افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانو ذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دهد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیرگذاراست. به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. نقاط کوانتومی بلورهایی در اندازه نانو می باشد که از خود نور ساطع می کنند. انتشار نور توسط این نقاط در تشخیص پزشکی و در کشاورزی و… کاربردهای فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند چون الکترونهای آزاد آنها مشابه الکترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند]132[.