بخشی از مقاله
چکیده
پیلهای سوختی پلیمری به دلیل مزایایی همچون دمای عملکرد پایین، چگالی توان بالا و زمان راهاندازی پایین، نسبت به دیگر پیلهای سوختی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. سیستم مهار به دلیل نقش قابل توجه در مواردی همچون ایمنی، چگالی انرژی و تاثیر در عملکرد پیلسوختی یکی از حیاتیترین اجزا در یک پیلسوختی به حساب میآید، به طوری که بدون داشتن سیستم مهار مناسب نمیتوان پیلسوختی با کارایی مناسب و قابل اطمینان تولید کرد.
در این پژوهش، در ابتدا به کمک روش اجزای محدود به کمک نرمافزار آباکوس به بررسی توزیع فشار ناشی از نیروی مهار پرداخته میگردد. جنسهای متفاوت صفحات انتهایی مورد ارزیابی قرار میگیرد و تاثیر ضخامت روی تغییر شکل صفحات انتهایی بررسی میگردد. در ادامه، برای بررسی تجربی مناسب بودن توزیع فشار از تجهیزات پیشرفته کنترل فشار مانند فیلمهای حساس به فشار و سنسورهای فشار استفاده میگردد که به ترتیب برای کنترل توزیع فشار آنلاین بصورت فعال و غیر فعال مورد استفاده قرار میگیرند.
مقدمه
سری پیلسوختی مجموعهای از سلولهای پیلسوختی میباشد که در شرایطی در کنار هم قرار گرفته و با هم سری شدهاند. به ابزار، تجهیزات و روشهایی که این سلولها را تحت شرایط مطلوب، به منظور رسیدن به حداکثر کارایی و ایمنی کنار هم قرار میدهند، سیستم مهار میگویند.
طراحی سیستم مهار پیلسوختی از جمله بخشهایی است که از اهمیت بالایی برخوردار میباشد. از جمله دلایلی که وجود سیستم مهار را در سری پیلسوختی ضروری و لازم میگرداند میتوان به عواملی همچون کنار هم قرار دادن سلولهای مجزای پیلسوختی و سریسازی آنها، ایجاد و تکمیل فرایند آببندی، کاهش مقاومت تماسی، بالا بردن راندمان سیستم و افزایش ایمنی در سری پیلسوختی نام برد.
با توجه به اینکه در اغلب سیستمهای مهار، اعمال فشار از نقاط محدودی صورت میگیرد - همانند سیستم مهار پیچ و مهرهای - ، توزیع فشار در نواحی مختلف از سطح هر یک از صفحات دوقطبی پیلسوختی متفاوت بوده و با فاصلهی نقاط نسبت به نقاط فشار مهار مرتبط میباشد. بنابراین، بخشهایی از این سطح دارای فشار بیشتر و بخشهای دیگری دارای فشار کمتر میباشند. فشار مهار عاملی برای عملکرد درست و مناسب آببندها بوده و این فشار باید طوری تنظیم گردد که از یک طرف کمی فشار باعث نشت سیال به محیطهای دیگر نشود و از طرف دیگر فشار بالا باعث آسیب دیدن آببند و از کار افتادن آن و یا آسیب به دیگر اجزای پیلسوختی نگردد
مسئله دیگری که در اعمال فشار مناسب مطرح میباشد مسئلهی نزدیکی و میزان فاصله میان صفحات دوقطبی است. این فاصله به هر میزان کمتر باشد باعث افزایش راندمان و چگالی فشار در سیستم گردیده و به بالاتر رفتن کارایی کل سیستم کمک میکند. دلیل این اتفاق را میتوان کاهش مقاومت تماسی بین اجزای پیلسوختی در اثر کاهش فاصله در صفحات دو قطبی دانست. این کاهش مقاومت تماسی باعث تغییر در چگالی جریان تولیدی پیلسوختی میشود.
همچنین، افزایش فشار باعث کمشدن تخلخل GDL و جلوگیری از ورود گاز برای انجام واکنش میگردد که درنتیجه راندمان پیلسوختی کاهش مییابد - یو و همکاران، 2007، پاترماراکیس وهمکاران، 1993، تامسون . - 1997 بنابراین اعمال فشار باید بطور بهینه صورت گیرد که در مقالات مختلف بسته به جنس غشا مورد استفاده و دستورالعمل شرکت سازنده این فشار از 0/5 تا 2 مگاپاسکال متغیر میباشد - عسگری و همکاران، . - 2010 توزیع فشار مهار با استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک - مونتانینی و همکاران، 2011، ونگ و همکاران، - 2008 اندازهگیری شده است.
طراحی سیستم مهار
در طراحی سیستم مهار از روشهایی همچون اجزای محدود و تستهای تجربی میتوان استفاده نمود. به کمک روش اجزای محدود محاسبات و شبیهسازی مربوط به پیلسوختیمورد نظر با دقت نسبتاً مطلوبی انجام میگردد و به کمک نتایج شبیهسازی بدست آمده سیستم مطلوب ساخته میشود. برای اطمینان از کارکرد مطلوب سیستم شبیهسازی شده از تستهای تجربی که نیازمند استفاده از تجهیزات اندازهگیری توزیع تنش تماسی میباشند استفاده میگردد. در این بخش به بررسی این موارد پرداخته میگردد.
شبیهسازی
همان طور که قبلا ذکر شد، هر سلول پیلسوختی از اجزای متنوعی تشکیل شده است و سریهای پیلسوختی نیز حاصل کنار هم قرارگیری تعداد زیادی سلول و صفحات دوقطبی میباشد. به منظور حفظ و نگهداری این صفحات در کنار هم و نیز جلوگیری از نشتی و و نفوذ سیالهای سوخت، اکسیدکننده و خنککننده به بیرون و به محفظه یکدیگر و موارد از این قبیل نیازمند وجود سیستمی برای مهار و اعمال فشار به سیستم میباشد.
بطورکلی باید توجه داشت که عمده ناتوانیها و مشکلات پیلسوختی در سیستم مکانیکی میباشد که از آن جمله میتوان به افت ولتاژ اهمی در اثر عدم توزیع مناسب تنش اشاره کرد که یک سیستم مهار مناسب میتواند این مشکل را برطرف نماید. بنابراین با شبیهسازی به بررسی دقیقتر این صفحات از لحاظ جنس و ضخامت پرداخته میشود . با لحاظ نمودن مدلسازی بصورت دوبعدی - کرنش صفحهای - و بررسی رفتار بدست آمده، مقایسهای بین ضخامتهای متفاوت صفحات انتهایی آلومینیومی و فولادی انجام میگردد. همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود،
در این شبیهسازی از یک لایه مسی و دو لایه گرافیتی به همراه تمامی آببندهای موجود که بیانگر نیمی از یک تکسل با سطح فعال 400 سانتیمتر مربع میباشد، استفاده شده است . در شکل 1 محل اعمال نیرو که توسط پیچ صورت میپذیرد نشان داده شده است و با توجه به تقارن موجود، یکچهارم مدل شبیهسازی شده است. خواص مواد مورد استفاده در شبیهسازی اجزای محدود در جدول 1 نشان داده شده است. شکل 2 نحوهی مشبندی و توزیع تنش تکسل شبیهسازی شده را نشان میدهد.
جدول :1 خصوصیات مواد استفاده شده در شبیهسازی تکسل پیلسوختی پلیمری.
شکل :1 مدل یکچهارم شبیهسازی شده تکسل پیلسوختی.
شکل :2 توزیع تنش مجموعه شبیهسازی شده برای صفحه انتهایی فولادی 30 میلیمتری.
نمودارهای تغییر شکل مرکز صفحهی انتهایی نسبت به ضخامت آن برای آلومینیوم و فولاد در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده میگردد، با افزایش ضخامت صفحه انتهایی تغییر شکل صفحهی انتهایی کاهش مییابد که این امر موجب بهبود توزیع فشار تماسی بین اجزا میگردد.
