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. آببند به دلیل نقش قابل توجه در مواردی همچون ایمنی، چگالی انرژی و تاثیر در عملکرد پیلسوختی از حیاتیترین اجزا در یک پیلسوختی به حساب میآید، به طوری که بدون داشتن آببند مناسب عملا نمیتوان پیلسوختی با کارایی مناسب و قابل اعتماد تولید کرد. در این پژوهش یک پروفیل نیم بیضی و همچنین یک پروفیل دارای دوکمان بیضی و دایرهای به عنوان مقطع آببند پیلسوختی پلیمری، توسط شبیهسازی اجزای محدود مورد تحقیق قرار گرفت.
شبیهسازی اجزای محدود با استفاده از نرمافزار اجزای محدود آباکوس انجام شد. جهت شبیهسازی رفتار آببند از دادههای تست فشار تکمحوره و مدل هایپرالاستیک Neo-Hookean استفاده گردید. پارامترهای هندسی پروفیلهای پیشنهادی مورد بحث قرار گرفته و طراحی گردیدند. پروفیلهای پیشنهادی موجب بهبود توزیع فشار تماسی در پیلسوختی و کاهش فشار وارده به قطعات شدند. همچنین مونتاژ آببندهای فوق در مقایسه با آببندهای متداول آسانتر بوده و به دلیل موقعیتدهی بهتر، آببندی مطمئنتری را نیز نتیجه میدهند.
مقدمه
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. این نوع پیلسوختی دارای اجزای مختلفی شامل صفحات انتهایی، صفحات دوقطبی، صفحات جمعکننده جریان، آببندها، مجموعه غشا و الکترود و لایه نفوذ گازی است. علاوه بر مزایای پیلسوختی، فرآیند تولید آنها دارای پیچیدگیهای فنی زیادی میباشد.
طراحی پیچیده، تعداد اجزای زیاد و نیاز به ساخت و مونتاژ با دقت بالا، از دیگر مباحث مرتبط با ساخت پیلسوختی است. ماهیت انفجاری هیدروژن و حضور همزمان اکسیژن و هیدروژن در مجاورت کاتالیست موجب میگردد یکی از مهمترین چالشهای طراحی و ساخت پیلسوختی، فناوری آببندی آنباشد. آببندها لازم است برای جلوگیری از نشتی تا یک مقدار معینی فشرده شوند. هر پیلسوختی میبایست به کمک یکی از سیستمهای رایج مهار که با توجه به نوع پیلسوختی انتخاب میگردد، بسته شده و با نیروی معینی تحت فشار قرار گیرد. فشار اعمالی علاوه بر ثابت نگاه داشتن اجزای پیلسوختی در کنار هم، نقش آببند را نیز تکمیل نموده و باعث آببندی سیستم میگردد. شکل 1 محل قرارگیری آببندها در یک پیلسوختی PEM را نمایش میدهد.
شکل :1 محل قرارگیری آببند در پیلسوختی .PEM
وجود آببند اگرچه ممکن است در نگاه اول از اهمیت بالایی برخوردار نباشد ولی به دلیل نقش قابل توجه آن در مواردی همچون ایمنی، چگالی انرژی و تاثیر در عملکرد پیلسوختی از حیاتیترین اجزا در یک پیلسوختی به حساب میآید، به طوری که بدون داشتن آببند مناسب عملا نمیتوان پیلسوختی با کارایی مناسب، قابل اعتماد و تجاری تولید کرد. محققان، مطالعات فراوانی را روی ساختارهای آببندی پیلسوختی پلیمری انجام دادند که اکثر آنها بصورت اختراع میباشند - دونگ هاو و ژان، . - 2013 اگرچه مطالعات محدودی در مورد طراحی پروفیل آببندهای پیلسوختی نیز انجام شده است.
در روش متداول استفاده از آببندهای تخت، با توجه به شکل صفحات دوقطبی و نحوه چیدمان ورودیها و خروجیهای گازهای واکنشگر و سیال خنککننده، آببند از صفحات آماده بریده میشود. در این روش دورریز مواد بسیار زیاد بوده و در نتیجه قیمت تمام شده برای تعداد زیاد، بالا می باشد. اما در روش واشر یا اورینگهای از پیش ساخته شده می توان آببندهایی با سطح مقطعهای مختلف طراحی و از جنس مورد نظر تولید نمود. در این روش با طراحی ابعاد مقطع آببند امکان کنترل عرض و عمق شیار آببند نیز امکانپذیر میباشد. در شکل 2 به صورت شماتیک یک نمونه از آببند با مقطع نیمبیضی نشان داده شده است. با این روش فشار مورد نیاز برای مهار - نیروی مورد نیاز برای رسیدن به فشار آببندی مورد نظر - کمتر بوده و مونتاژ کل مجموعه آسانتر میباشد.
شکل :2 شماتیک استفاده از اورینگهای با مقطع چند لبه برای آببندی.
در طراحی آببند سری پیلسوختی، شکل پروفیل آببند نقش موثری داشته و طراحی نادرست آن منجر به عدم آببندی، توزیع فشار نامناسب یا اعمال فشار بیش از حد به قطعات خواهد شد.
در این تحقیق یک پروفیل آببند جهت استفاده در پیلسوختی پلیمری پیشنهاد داده میشود و پارامترهای هندسی آن توسط شبیهسازی اجزای محدود مورد بحث و تحقیق قرار میگیرند و همچنین عملکرد آن توسط آزمایش تجربی ارزیابی میشود. پروفیلهای مورد بررسی یک پروفیل نیم بیضی و همچنین یک پروفیل دارای دوکمان بیضی و دایرهای بوده که توسط شبیهسازی اجزای محدود مورد تحقیق قرار میگیرد.
شبیه سازی اجزای محدود
جهت شبیهسازی آببند از نرمافزار اجزای محدود Abaqus استفاده گردید. در این پژوهش، الاستومر EPDM به عنوان جنس آببند پیلسوختی انتخاب گردید. عموما الاستومرها تراکم ناپذیر در نظر گرفته میشوند و اغلب بصورت هایپرالاستیک مدل میشوند. در مواد هایپرالاستیک ارتباط بین تنش و کرنش غیرخطی بوده و از قانون هوک تبعیت نمیکند. رایج است که دادههای تجربی مواد الاستومری را با استفاده از تنش و کرنش مهندسی اندازهگیری مینمایند. تستهای مکانیکی که روی الاستومرها انجام میشوند به دو دستهی کلی تقسیم میشوند: فشاری و کششی. حالت فشاری معمولا تک محوری است در حالی که حالت کششی میتواند در حالتهای تکمحوری، صفحهای و دومحورهی یکسان انجام شوند
قریشی پارامترهای مدل مادهی هایپر -ویسکوالاستیک را با استفاده از روش اجزای محدود تعیین نمود - قریشی، . - 2012 جنگ و همکارانش برای بدست آوردن ثوابت ماده تستهای کششی تک محوره و دومحوره را انجام دادند
نتایج نشان داد که روش اجزای محدود برای پیشبینی رفتار این مواد میتواند استفاده شود. یانگ و همکاران یک رابطه ساختاری ویسکو-هایپرالاستیک را جهت توصیف پاسخ تغییر شکل بزرگ لاستیکهای تراکم ناپذیر تحت نرخهای کرنش زیاد ارائه دادند
هنگامی که آببندها در هنگام مونتاژ پیلسوختی فشرده میشوند، تنش فشاری در آببندها در مقایسه با تنش کششی غالب میباشد. لذا بنظر میرسد تنها استفاده از دادههای تست فشاری جهت مدلسازی رفتار آببند دقت مناسبی را بدهد. در این پژوهش، تست فشار تک محوره با استفاده از دستگاه تست یونیورسال با ظرفیت 20 کیلونیوتن انجام گردید.
جهت انجام تست فشار تک محوره، نمونههایی از جنس EPDM مطابق با استاندارد ISO-7743 ساخته شد. نمونههای تست بصورت استوانهای با ارتفاع 12/5 میلیمتر و قطر 29/5 میلیمتر میباشند. شکل 3 نمونه تست فشار تک محوری را در دو حالت تجربی و شبیهسازی نشان میدهد. برای کاهش اصطکاک و افزایش دقت خواص بدست آمده همانطور که در استاندارد تست فشار الاستومر آمده از روانکار استفاده شد. سرعت انجام تست تاثیر شدیدی روی نمودار تنش کرنش بدست آمده دارد.
