بخشی از مقاله
چکیده
عیب یابی و بررسی عملکرد توده پیل سوختی پلیمری در تحقیقات وتجاری سازی این تکنولوژی از اهمی ت ویژه ای برخوردار است. در این پژوهش با استفاده از روش طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیاییبه بررس ی عملکرد یک مونوسل پلیمری با غشاء خود مرطوب شونده و آند انتها بسته پرداخته شد وتاث یر پارامترها ی دما، چگالی جریان، استوکیومتری و پرچ هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت.
با افزایش دما از 25 تا 50 درجه سانتی گراد در مونوسل با مشاهده نمودار نایکویست مقاومت های اهمی، سنتیک و انتقال جرم کاهش یافته است.با افزایش استوکیومتری هوا درسمت کاتد مقاومت های اهمی، سنتیک و بار افزا یش یافته است. با افزایشچگالی جریان از 20 تا 40 آمپر مقاومت ها در مونوسل کاهش پیدا میکند ولی در 50 آمپر مقاومت ها افزایش یافته است. با افزایش پرچ هیدروژن مقاومت های مونوسل افزایش یافته است.به کمک نتایج بالا می توان نقاط بهینه عملکرد پیل سوختی پلیمری خود مرطوب شوند با آند انتها بسته را شناسایی کرد، آن را به خوبی کنترل و روند تجاری سازی آن را فراهم نمود.
-1 مقدمه
امروزه پیل سوختی به عنوان یک رقیب مناسب برای توربین های گاز درنیروگاه ها، موتورهای احتراق داخلی در خودروها و باتری ها در وسایل قابل حمل تبدیل شده است. 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 قی اس با دگری روش های تبدیل و تولید انرژی می باشد. برای دست یابی به این هدف و به منظور بهبود عملکرد و افزا یش 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 ترمود ینامی ک، مکانیک سیالات، دینامیک و واکنش های الکتروشیمیایی درون پیل هایسوخت ی پلیمر ی چالش بزرگی برای محققان به شمار می آید.
با استفاده از روش های عیب ی ابیم ی توان ازی ک طرف به خصوص یات 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 الکتروش یمیایی و انتقال در پیل های سوختی استفاده نمود. ما در این تحقیق برای بررسی عیب یابی از یک مونوسل پلیمر ی خود مرطوب شونده با آند انتها بسته استفاده کرده ایم که عامل رطوبت ساز در گاز ورودی حذف شده و هیدروژن در سمت آند درچرخه بسته کار میکند، برای جلوگیری از انباشتگیناخالصی در سمت آند و افت کارکرد ناشی از آن، مقداری از گاز داخل چرخه پرچ می شود.
-2 پیل خود مرطوب شونده- آند انتها بسته و پرچ هیدروژن:
در حال حاضر غشاء نفیون در پیل سوختی برای عبور پروتون نیاز به حفظ آب دارد. بنابراین برایجلوگ یری از خشک شدن غشاء و رسانایی بیش تر غشاء، گازهای ورودی توسط روش های رطوبت سازهای خارجیی ا داخلی، مرطوب می شوند. رطوبت ساز های خارجیباعث افزا یش وزن و پیچدگ ی سیستم یپ ل 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 درجهات زی ر است: 1 - - ترکی ب کاتالیست Pt وPt/C در غشاء به ترکیب نفوذ پذیر هیدروژن و اکسیژن برا ی تولی د آب و مرطوب ساختن غشاء - 2 - ترکیب اکسیدهای فلزی جاذب رطوبت، مانند:SiO2 و یا TiO2در جذب آب - 3 - ترکی ب برخی از ذرات پروتون – رسانا، مانند ZrP ، HPA ، / SO4−2 ZrO 2یا O40 W12 H 0.5 Cs2.5 به منظور بهبود رسانایی پروتون غشاء .[1] 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 میشود .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 دققاًی با نرخی که مصرف میشود، تامین شود و غلظت آن در خروجی صفر خواهد بودکه این روش شیوه انتها بسته نامیده میشود. اگر هیدروژن فشار بالا در دسترس باشد - مانند هی دروژن در ی ک مخزن فشار بالا - شیوه انتها بسته به هیچ کنترل کننده ای نیاز ندارد، زی را هی دروژن به اندازه مصرف آن تامین میشود و در این حالت ضریب استوکیومتریک برابر ی ک است
. اگر نفوذ هی دروژن از می ان غشاء، جریان های 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 جری ان 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. و همچم ین در یپ ل سوختی آند بسته در طول عملیات باعث انباشته شدن نیتروژن و آب مایع در قسمت آند شده که باعث افت تدریجی ولتاژ می شود بنابراین جهت به حداقل رساندن میزان این ناخالصی ها، پرچ در سمت هیدروژن لازم است.
-3 روش هایعیب 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 یا ن روش ها به دو دسته تست های الکتروشیمیایی و تست های فیزیکی / شیمیایی تقسیم می شوند. روش های روبش جریان3F2، قطع جریان4F3، طیف سنجی امپدانس الکتروش یمیایی، ... در زمره تست های الکتروشیمیایی و روش های اندازه گی ری افت فشار، کروماتوگرافی گاز - GC - ، تصو یر نگاری تشد ید مغناطیسی - MRI - ، ... در زمره تست های فیزیکی/ شیمیایی قرار می گیرند.
