بخشی از مقاله
خلاصه
فرآیند آمادگی غشا همواره برای فعالسازی پیلهای سوختی غشا پلیمری تازه ساخت احتیاج است. این فرآیند به نام رام کردن نیز نامیده میشود، که شامل یک دوره رشد نهفته جهت فعالسازی و رسیدن به بیشینه کارایی میباشد. در طول این دوره فعالسازی، کارایی غشا طبیعتا بتدریج افزایش یافته تا به نقطه یکنواخت و صاف بدون رشد میرسد. بسته به نحوه مونتاژ غشا الکترود این فرآیند ممکن است از ساعتها تا روزها زمان ببرد. با توجه به مصرف سوخت هیدروژن و افزایش هزینه فرآیند، شتاب دادن این فرآیند در زمان بهینه با ارزش خواهد بود. در این مقاله مروری به پروتکلهای انتشار یافته در مورد فعالسازی و متودهای آمادگی غشا برای تک سل و استک پرداخته میشود. و تاثیر پارامترهای عملیاتی بر فعالسازی با دقت بررسی میشود. نتایج نشان می دهد که دماهای بالاتر برای دستیابی به کارایی بهتر تاثیرگذارتر است. توقف در حالت ولتاژ مدار باز و افزایش تعداد گامهای ولتاژ در شتاب دادن رویه فعالسازی موثر نیست. از سوی دیگر، افزایش فرکانس گام ها اگرچه موجب کاهش زمان فعالسازی می شود ولی سرعاًی باعث کاهش عملکرد پیل خواهد شد. اگرچه اعمال این روشهای فعال سازی بطور جدی در میکروساختار فراهم آوری غشا تاثیرگذار است و در نتیجه آن در رفتار طولانی مدت و دوام پیل موثر است.
مقدمه
نگرانی جهانی در مورد آلودگی محیط زیست و کاهش ذخایر سوختهای فسیلی دانشمندان را به دنبال راه حلی برای جایگزینی مناسب برای سوختهای فسیلی با استفاده از انرژی پاک انداخت. در دهههای اخیر یکی از بهترین جایگزینها برای سوختهای فسیلی، پیلهای سوختی هستند. پیل های سوختی به عنوان یک منبع انرژی پاک قابلیت استفاده در نیروگاهها، اتومبیلها و وسایل قابل حمل دیگر را دارند. از مزایای پیل سوختی آماده سازی آسان، عمرطولانی، انجام عملیات در دمای کم، چگالی توان بالا، شروع به کار سریع و نشتی کم است که تمام این ویژگیها، صنایع مختلف را برای سرمایه گذاری در این بخش تشویق کرده است. یکی از عوامل موثر در بهبود کارایی و افزایش عمر پیلهای سوختی نحوه فعالسازی آنها میباشد.
تکنیکهای مختلف فعالسازی بر اساس نحوه استفاده به دو دسته کلی تقسیم میشوند: فعالسازی آنلاین و فعالسازی آفلاین. در این مقاله روش تست هر دسته استخراج و مزایا و معایب روشهای پرکاربردتر آن آورده شده است.
فعالسازی آفلاین در روش فعالسازی منفصل یا آفلاین، غشا در شرایط جدا از شرایط کاری بصورت مجزا فعالسازی میشود. روشهای
آفلاین شامل:
❖ قرار دادن MEA در معرض بخار اشباع با فشار بالاتر از اتمسفر
❖ بخار دادن یا جوشاندن الکترودها
❖ غوطهور کردن مجموعه غشا الکترود در آب مقطر در حدود 100 ساعت
❖ استفاده از سیکل حلال متانول
فعالسازی آنلاین روشهای فعالسازی آنلاین با اتصال پیلسوختی به سیستم و کنترل ولتاژ، جریان و کنترل شرایط عملکردی
پیلسوختی انجام میشود. از جمله فاکتورهای مهم در تدوین رویه فعالسازی راحتی عملکرد، تاثیرگذاری و کارایی روش میباشد. مرسومترین رویههای فعالسازی برای آمادهسازی مجموعه غشا الکترود با توجه به استمرار و پیوستگی در مقالات بصورت زیر دسته بندی میشود:
کنترل جریان الکتریکی برای فعالسازی در این روش با تنظیم شرایط عملیاتی، جریان پیلسوختی را در یک محدوده ثابت در مدت زمان معین نگه میداریم تا ولتاژ پیل پایدار شود .
کنترل اختلاف پتانسیل در این روش با تنظیم شرایط عملیاتی، ولتاژ پیلسوختی را در یک نقطه یا بصورت دورهای در نقاط مختلف یا در زمان متفاوت ثابت نگه میداریم، این سیکل را در مدت زمان معین تکرار میکنیم جریان پیل پایدار شود
کنترل دما دما یکی از پارامترهای تاثیرگذار در فعالسازی غشا میباشد، که کنترل این پارامتر در زمان رسیدن به نقطه نهایی موثر است .[12-10] با افزایش این پارامتر روال فعالسازی تسریع میشود.
روش اتصال کوتاه
در این روش آند و کاتد به هم متصل شده و سل اتصال کوتاه میشود. سپس هیدروژن و اکسیژن با دبی حداقل در 1 دقیقه و دبی بالا در 3 دقیقه وارد میشود. این رویه 0.5 ساعت تکرار میشود. در انتها این فرآیند اکسیژن قطع شده و دبی هیدروژن کم میشود، تا وقتی ولتاژ سل کمتر از 0.1 ولت شد دبی هیدروژن نیز قطع میشود .[5]
پمپاژ هیدروژن در روش پمپاژ هیدروژن سمت آند هیدروژن خالص و در سمت کاتد نیتروژن وارد میشود. به کمک منبع تغذیه خارجی در حدود چگالی جریان mA/cm2 200 جریان میدهیم. هیدروژن شروع به اکسید شدن در سمت آند می کند و پروتون شروع به انتقال از طریق غشا به سمت کاتد می کند و در آنجا کاهیده میشود و این رویه برای 30 دقیقه ادامه مییابد
گردش آب داغ آب گرم با دمای Cœ80 در هر دو سمت آند و کاتد به گردش در میآوریم و این فرآیند را درحدود 0.5 ساعت ادامه میدهیم
زدودن کربن مونواکسید
نکات حائز اهمیت در روش زدودن کربن مونواکسید این است که CO قابلیت جذب قوی بر سطح کاتالیست دارد، الکترود را حتی در غلظتهای چند ppm نیز مسموم میکند. اینگونه مسمومیت یکی از موانع بزرگ در مسیر توسعه واقتصادی کردن استفاده از پیلسوختی پلیمری میباشد. کربن مونوکسید جذب شده از طریق اعمال اختلاف پتانسیل مثبت و اکسید شدن آن به کربن دیاکسید دفع میشود. بررسی های ژی و همکاران در سال 2006 نشان داد که وقتی CO از سطح کاتالیست درآورده میشود همزمان الکترود نیز فعال میشود
تکنیکهای الکتروشمیایی در نمایش اثر فعالسازی برای تحلیل و بررسی اثر پروتکلهای مختلف فعالسازی بر پیل سوختی پلیمری و فهم اصول مهم آن میتوان از طیف نگاری امپدانسی الکتروشیمیایی - EIS - ، ولتسنجی چرخهای - CV - ، جاروب خطی ولتاژ - LSV - استفاده کرد.
با رسم نمودار نایکوئیست با EIS و تعیین قطر کمان در فرکانس بالا و پایین محدودیت انتقال بار و جرم را بترتیب میتوان مشخص کرد. تقاطع قسمت موهومی نمودار امپدانسی با قسمت حقیقی آن نشان دهنده مقاومت محلول - Rs - میباشد. بر پایه طیفهای امپدانسی مقاومت انتقال بار - Rct - ، مقاومت انتقال جرم - Rmt - نیز بدست میآید. مقاومت محلول - Rs - را نیز میتوان از برقراری دو مدار معادل شکل 1 استخراج نمود، که CPE در آن المان فاز ثابت می باشد.
مدارمعادل مقاومت و ساختار ویجت در حالت سری با خازنی که با المان فاز ثابت جایگزین شده
تفسیر پدیده فعالسازی
فهم اصول فرآیند فعالسازی به تصدیق و تحلیل رویه کارخانه کمک می کند و اجازه میدهد تا رویه فعالسازی استک شتاب بیشتری پیدا کند. برای تحلیل بهتر این نمودارها تئوریهایی که تا بحال در تفسیر پدیده فعالسازی مطرح شده در زیر ارائه میشود:
فعالسازی پیلسوختی تاثیرات مفیدی بر کاتالیست دارد، مانند: رفع ناخالصیهای ایجاد شده هنگام فرآیند تولید و ساخت، همچنین فعال کردن کاتالیستهای شرکت نکرده در واکنش استک - افزایش سطح فعال الکتروشیمیایی - و
باز کردن راه عبور برای گازهای واکنشگر به سمت کاتالیست - کاهش مقاومت انتقال جرم.غشا تازه مونتاژ شده در استک پیلسوختی نوعا نیاز به یک فاز رشد نهفته دارد دوره ای که عملیات فعالسازی انجام میشود. دو نظریه برای تشریح این رفتار ارائه میشود در نظریه اول احتمالا غشا دارای باقی ماندههای کاتالیست بوده که عملکرد آنها بتاخیر افتاده است - کاهش مقاومت غشا - . و در نظریه دیگر خشکی ابتدایی غشا، باعث تاخیر عملکرد استک شده و این تاخیر با هیدراته شدن در دوره رشد نهفته برطرف میشود.
- 3 در راستای بهبود پیلسوختی پلیمری، ساختار الکترود از تفلون-باند به نفیون آغشته شده به تفلون-باند و سپس به الکترود نفیون-باند رشد پیدا کرد. اضافه کردن الکترولیت نفیون به لایه کاتالیستی ناحیه واکنشدهنده الکترود را توسعه داد، هدایت یونی لایه کاتالیستی بهبود پیدا کرد - کاهش مقاومت انتقال بار - بنابراین مصرف کاتالیست نیز بیشتر شد. اگر چه کارایی اولیه غشاهای نو با نفیون-باند معمولا با گذشت زمان بیشتر میشود، بدلیل اینکه الکترولیت داخل الکترود نیز برای اطمینان از عبور یونهای هیدروژن باید هیدارته شود
