بخشی از مقاله
چکیده
پیلسوختی یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. از لحاظ ساختار مکانیکی، سری پیلسوختی از تعدادی صفحه با جنسهای مختلف تشکیل شده است که تنها به کمک میلههای مهار به یکدیگر متصل شدهاند. از اینرو، سریهای پیلسوختی با تعداد سلول زیاد در راستای عرضی و پیچشی از مقاومت بالایی برخوردار نمیباشد .
هدف مقاله حاضر طراحی سازه تقویتکننده پیلسوختی در برابر بارگذاری خارجی ناشی از شوکهای وارده میباشد. برای دستیابی به این هدف ابتدا پیلسوختی به لحاظ توزیع تنشهای درونی مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، سازه پیلسوختی به گونهای سادهسازی شده است که از لحاظ ابعاد هندسی، توزیع جرمی و خواص فرکانسی تشابه کاملی با مدل اصلی داشته باشد. سپس کارایی سازه تقویتکننده به کمک شبیه سازی اجزای محدود مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که سازه تقویتکننده سطح تنشهای ایجاد شده در پیلسوختی بر اثر اعمال شوک را به میزان مطلوبی کاهش میدهد. علاوه بر این نیروی تسمههای سازه تقویتکننده باید
.1 مقدمه
با افزایش کاربرد پیلهای سوختی به منظور استفاده در اتومبیلها، کشتیها و هواپیماها، ارزیابی ساختار مکانیکی در برابر بارهای دینامیکی ضروری به نظر میرسد. پیلهای سوختی هنگام کاربرد در محیطهایی که با شوک و ارتعاش همراه هستند، در معرض پایش تنشهای شتابی قرار میگیرند تا قابلیت اطمینان لایهها و یکپارچگی مکانیکی را تضمین کنند. بهکارگیری پیلهای سوختی نیازمند درک بهتر و تسلط بر رفتار مکانیکی آنها در محیطهای ارتعاشی است .[1]
در این میان پیلهای سوختی و بیش از همه پیلسوختی پلیمری به دلیل برخورداری از برخی مزایا همچون سر و صدای اندک، عدم تولید گازهای آلاینده، حداقل انتقال حرارت با محیط اطراف، عدم محدودیت در تولید توان، راندمان بالا، زمان راهاندازی کوتاه و نیاز به تعمیر و نگهداری اندک برای استفاده در سیستمهای حمل و نقل دارای برتری هستند .[2]
بررسی یک سری پیلسوختی از طریق یک آزمایش شوک با در معرضقراردادن وسیله به تحریکهای تصادفی روی یک پلتفرم ارتعاشی توسط راجالاکشمی و همکاران انجام گرفت .[3] روس و همکاران 4]،[5 تست ارتعاشی را روی یک پیلسوختی برای کاربردهای هواپیمایی انجام دادند. نتایج تست نشان میداد که تغییرات نرخ نشتی بین آغاز و پایان مجموعه تستها چشمگیر نبوده و هیچ مشکلی برای مجموعه غشا و الکترود یا صفحات دیگر سری2 پیلسوختی مشاهده نشد.
بتورنای و همکاران [6] اثرات شرایط کارهای معدنی زیرزمینی، شوک و ارتعاشات را روی یک پیلسوختی 35 وات بررسی کردند. وو و همکاران [7] پی بردند که هر سلول، در زمانی که در معرض شتابهای ضربهای بزرگ در جهت موازی سلول قرار گیرد، ممکن است نسبت به همدیگر بلغزند. لغزش نسبی تحت تأثیر نیروی مهار پیلسوختی، شتاب ضربهای و ضریب اصطکاک در نظر گرفته شده بود.
شاکری و ایمن [8] اثرات بارها یا ارتعاشات مکانیکی روی یک پیلسوختی پلیمری انتهاباز جهت استفاده در پرنده بدون سرنشین کوچک را مورد بررسی قرار دادند و تغییر عملکرد آن در حالت عملیاتی را ارزیابی کردند. مرور فوق نشان میدهد که اگرچه مطالعات متعددی در زمینه بررسی اثر شوک روی پیلسوختی صورت گرفته است، اما افزایش مقاومت پیلسوختی به این گونه بارگذاریها با افزودن یک سازه تقویتکننده مورد ارزیابی قرار نگرفته است. هدف مقاله حاضر، طراحی سازه تقویتکننده پیلسوختی در برابر بارگذاری شوک، جهت رفع این محدودیت میباشد.
برای دستیابی به این هدف ابتدا پیلسوختی به لحاظ توزیع تنشهای درونی مورد بررسی قرار گرفته است. سپس به کمک روابط تئوری میزان بیشینه و کمینه نیروی وارد بر تسمههای سازه تقویتکننده تعیین شده است. سازه پیلسوختی به گونهای سادهسازی شده است که از لحاظ ابعاد هندسی، توزیع جرمی و خواص فرکانسی تشابه کاملی با مدل اصلی داشته باشد. در نهایت، کارایی سازه تقویتکننده به کمک شبیهسازی اجزای محدود مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج حاکی از عملکرد مطلوب سازه تقویتکننده بر کاهش تنشهای وارده به پیلسوختی و افزایش ظرفیت تحمل شوک پیلسوختی میباشد.
.2 بررسی سازه تقویتکننده و تعیین نیروی اولیه تسمهها
برای تقویت سازه پیلسوختی از چهار نبشی در چهار گوشه پیلسوختی استفاده شده است که توسط تسمههایی به بدنه پیلسوختی فشرده میشوند. برای ایجاد عایق الکتریکی در زیر نبشیهای فولادی از چهار نبشی تفلون استفاده شده است. ضخامت و ابعاد نبشیها به گونهای انتخاب شدهاند تا با سایر اجزا و اتصالات پیلسوختی تداخلی ایجاد نشود.
ضخامت نبشیهای تفلونی 10 میلیمتر و ضخامت نبشیهای تقویتکننده 5 میلیمتر در نظر گرفته شده است که بعد از تحلیل نیرو، جنس و ضخامت آنها اصلاح میشود - در تحلیل ابتدایی جنس نبشیهای تقویتکننده فولاد در نظر گرفته شده است - . بعد از تایید اولیه مدل از لحاظ ابعاد و رفع تداخلات احتمالی مدل سازه تقویتکننده به مدل پیلسوختی در نرمافزار [ ABAQUS اضافه میگردد. در شکل 1 مدل سازه تقویتکننده پیلسوختی - با رنگ قرمز - به همراه آرایش ابتدایی تسمهها - رنگ زرد - و کشش ناشی از آنها نمایش داده شده است.
نیروی تسمهها به صورت نیروی متمرکز به محل پیچهای قرارگرفته روی نبشی اعمال میگردد. از آنجایی که ابعاد پیل در دو طرف برابر نمیباشد، جهت ایجاد تنش متقارن کروی در اجزای پیل سوختی، سطح مقطع نبشیها در دو طرف متفاوت در نظر گرفته شده است. ابعاد نبشیها به گونهای در نظر گرفته شده است که هیچگونه تداخلی با سازه پیل و پیچهای نگه دارنده صفحات نداشته باشد.
