بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با استفاده از روش طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی به بررسی عملکرد یک مونوسل پلیمری با غشاء خود مرطوب شونده و آند انتها بسته پرداخته شده است. در این تحقیق، تاثیر زمان توقف پرج بر عملکرد تکپیل مورد ارزیابی قرار گرفت. زمانهای توقف پرج در نظر گرفته شده برای تحقیق حاضر، 60 ,30 , 10 , 1 و 120 ثانیه بود. نتایج حاصل از تست امپدانس الکتروشیمیایی نشان داد که با افزایش زمان توقف پرچ هیدروژن، مقاومت اهمی به میزان کمی کاهش یافته است. این کاهش میتواند ناشی از تجمع آب در سمت آند و در نتیجه مرطوب شدن بهتر غشاء باشد. همچنین با افزایش زمان توقف پرج، حلقه مربوط به انتقال جرم در طیف امپدانس بازتر شده که نشان از افزایش مقاومت انتقال جرم است. این افزایش مقاومت انتقال جرم ناشی از تجمع قطرات آب در سمت آند و آبگرفتگی آن و همچنین تجمع نیتروژن نفوذی از سمت کاتد به سمت آند است.
-1مقدمه
از میان انواع پیل سوختی به نظر می رسد که پیل های سوختی پلیمری به دلیل دارا بودن زمان راه اندازی کوتاه، چگالی توان به وزن وحجم بالا و دمای عملکرد پایین گزینه مناسبی برای مصارف ایستگاهی، خانگی و حمل و نقل می باشند. در هر صورت موقعیت اقتصادی پیل های سوختی پلیمری به قابلیت اعتماد و رقابتی بودن قیمت آنها در قیاس با دیگر روش های تبدیل و تولید انرژی می باشد. برای دست یابی به این هدف و به منظور بهبود عملکرد و افزایش طول عمر آنها، فهم بهتر تاثیر تمامی پارامترها بر پیل و واکنش ها و پدیده هایی که در پیل سوختی رخ می دهند و همچنین تاثیر آنها بر عملکرد و محدودیت راندمان ضروری است.
همواره فهم کامل ترمودینامیک، مکانیک سیالات، دینامیک و واکنش های الکتروشیمیایی درون پیل های سوختی پلیمری چالش بزرگی برای محققان به شمار می آید. با استفاده از روش های عیب یابی می توان از یک طرف به خصوصیات ساختاری و مشخصه های پیل سوختی، مشکلات احتمالی کارکرد و یا هر یک از اجزا دست یافت و از طرف دیگر از نتایج بدست آمده در مدل سازی برای بهینه سازی و کنترل فرآیندهای گوناگون طیف سنجی الکتروشیمیایی و بررسی الکتروشیمیایی و انتقال در پیل های سوختی استفاده نمود. در این تحقیق تاثیر زمان توقف پرج هیدروژن بر روی عملکرد یک مونوسل پلیمری خود مرطوب شونده با آند انتها مورد بررسی قرار گرفت. در این پیل عامل رطوبت ساز در گاز ورودی حذف شده و هیدروژن در سمت آند در چرخه بسته کار میکند. برای جلوگیری از انباشتگی ناخالصی در سمت آند و افت کارکرد ناشی از آن، مقداری از گاز داخل چرخه پرج - خارج - میشود.
-2مواد و روش تحقیق
1-2پیل خود مرطوب شونده- آند انتها بسته و پرج هیدروژن:
در حال حاضر غشاء نفیون در پیل سوختی برای عبور پروتون نیاز به حفظ آب دارد. بنابراین برای جلوگیری از خشک شدن غشاء و رسانایی بیش تر غشاء، گازهای ورودی توسط روش های رطوبت سازهای خارجی یا داخلی، مرطوب می شوند. رطوبت ساز های خارجی باعث افزایش وزن و پیچدگی سیستم پیل سوختی و نامناسب برای حمل و نقل می شود. به منظور تحقق بخشیدن به بهره برداری از پیل های سوختی پلیمری، غشاءهای مرکب بسیاری با ویژگی خود مرطوب شوندگی که معایب ذکر شده را ندارند، توسعه داده شده است. در حال حاضر، تمرکز محققان در مورد غشاءهای خود مرطوب شوند در جهات زیر است: - 1 - ترکیب کاتالیست Pt وPt/C در غشاء به ترکیب نفوذ پذیر هیدروژن و اکسیژن برای تولید آب و مرطوب ساختن غشاء - 2 - ترکیب اکسیدهای فلزی جاذب رطوبت، مانند: و یا TiO2 در جذب آب - 3 - ترکیب برخی از ذرات پروتون - رسانا، مانند ZrP، HPA، ZrO2 SO 42 یا به منظور بهبود رسانایی پروتون غشاء. برای دستیابی به کارکرد بهتر پیل سوختی، گازهای واکنش دهنده عموما با نرخ جریان بالاتر از مقدار نیاز به سیستم وارد می شود که این شیوه حالت در جریان نامیده می شود. غلظت آن ها در محل خروجی و در مسیر های داخل پیل بالاتر خواهد بود. از طرف دیگر نرخ جریان بالاتر گازهای واکنش دهنده به خارج شدن آب تولیدی در پیل نیز کمک می کند و مجموعا عملکرد بهتر پیل نتیجه می شود.
هیدروژن میتواند دقیقاً با نرخی که مصرف میشود، تامین شود و غلظت آن در خروجی صفر خواهد بود که این روش شیوه انتها بسته نامیده می شود. اگر هیدروژن فشار بالا در دسترس باشد - مانند هیدروژن در یک مخزن فشار بالا - شیوه انتها بسته به هیچ کنترل کنندهای نیاز ندارد، زیرا هیدروژن به اندازه مصرف آن تامین میشود و در این حالت ضریب استوکیومتریک برابر یک است. اگر نفوذ هیدروژن از میان غشاء، جریانهای داخلی هیدروژن و نشتی ها نیز در نظر گرفته شود؛ نرخ جریان هیدروژن ورودی کمی بیشتر از نرخ مصرف هیدروژن برای تولید جریان میباشد.هیدروژن میتواند دقیقاً با نرخی که مصرف میشود، تامین شود و غلظت آن در خروجی صفر خواهد بود که این روش شیوه انتها بسته نامیده می شود. اگر هیدروژن فشار بالا در دسترس باشد - مانند هیدروژن در یک مخزن فشار بالا - شیوه انتها بسته به هیچ کنترل کنندهای نیاز ندارد، زیرا هیدروژن به اندازه مصرف آن تامین میشود و در این حالت ضریب استوکیومتریک برابر یک است. اگر نفوذ هیدروژن از میان غشاء، جریانهای داخلی هیدروژن و نشتی ها نیز در نظر گرفته شود؛ نرخ جریان هیدروژن ورودی کمی بیشتر از نرخ مصرف هیدروژن برای تولید جریان میباشد.
در شکل - 1 - پیچیدگی سیتم در حالت جریان نسبت به حالت انتها بسته در یک توده پیل سوختی را می توان مشاهده نمود.اگرچه هیدروژن مورداستفاده در پیل سوختی بایستی بسیار خالص باشد ولی مقدار اندک ناخالصی موجود در هیدروژن نیز در طی زمان و با کارکرد مداوم پیل، در سمت آند انباشته می شود. همچنین در پیل سوختی آند بسته در طول کارکرد، نیتروژن و آب مایع در قسمت آند انباشته شده که باعث افت تدریجی ولتاژ می شود. بنابراین جهت به حداقل رساندن میزان این ناخالصی ها، پرچ در سمت هیدروژن لازم است.
2-2 روش های عیب یابی و مروری بر مطالعات پیل های سوختی خود مرطوب شونده :
روش های متعددی در زمینه عیب یابی توده های پیل سوختی پلیمری وجود دارند .به طور کلی این روش ها به دو دسته تست های الکتروشیمیایی و تست های فیزیکی / شیمیایی تقسیم می شوند.روش های روبش جریان34، قطع جریان35، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، ... در زمره تست های الکتروشیمیایی و روش های اندازه گیری افت فشار، کروماتوگرافی گاز - GC - ، تصویر نگاری تشدید مغناطیسی - MRI - ، ... در زمره تست های فیزیکی/ شیمیایی قرار می گیرند.در میان روش ها، عیب یابی غیر مخرب از جایگاه ویژه ای برخوردار است. چرا که بدون ایجاد اغتشاش در عملکرد پیل های سوختی پلیمری می توانند عملکرد آن ها را ارزیابی نمایند. یکی از این روش ها، روش طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی است که در آن سیگنال کم دامنه جریان یا ولتاژ AC با فرکانس معین به پیل سوختی اعمال شده، دامنه و اختلاف فاز سیگنال پاسخ به صورت تابعی از فرکانس ذخیره می شود. روش های دیگر عیب یابی بسیار دور از حال تعادل عمل می کنند، اما این روش به شرایط عملکرد واقعی و حالت تعادل پیل سوختی نزدیک استاخیراً. محققان مختلفی از این روش برای عیب یابی پیل سوختی استفاده کردهاند که از آن جمله میتوان به گیو - [5] - Guo، در رابطه با بهینه سازی ساختار مجموعه غشاء الکترود، هالسید [6] - Halseid - در زمینه بهینه سازی شرایط عملکرد و مقاومت غشاء، سورانو - Ciureanu - ، کیم - Kim - ، واگنر [7] - Wagner - در مورد آلاینده های پیل سوختی اشاره نمود.
یانگتیک لی و همکاران در تحقیقی رفتار دینامیکی غشاءی خودمرطوب شونده پلیمری در پیل سوختی را مورد بررسی قرارداده اند.نمونهای از نمودر نایکوئیست حاصل از تست امپدانس الکتروشیمیایی که بر روی یک پیل سوختی پلیمری صورت پذیرفته است، در شکل - 2 - نشان داده شده است. حلقه - 1 - مربوط به فرکانس های پایین - 1 Hz<f - بوده و معرف پدیده انتقال جرم استقطر. این حلقه نشان دهنده مقدار مقاومت انتقال جرم بوده و غالباً در جریان های بالا که انتقال جرم نقش اساسی را در افت پتانسیل دارد، ظاهر می شود. حلقه - 2 - در محدوده فرکانس های متوسط - 1 KHz<f<1 Hz - قرار داشته
