پیشرفت‌های اخیر فن‌آوری پیل‌سوختی

چون مدیریت آب به لحاظ دوام و عملکرد پیل‌های سوختی پلیمری، امری بسیار حیاتی می‌باشد؛ بلارد برای مطالعه توزیع جریان آب داخل واحد پیل، ابزارهای تشخیصی پیشرفته‌ای ساخته است. چنین ابزارهای تشخیصی، باید ویژگی‌هایی چون: (1) قابلیت کاربرد درجا، (2) ایجاد حداقل مزاحمت صوتی و (3) توانایی ارائه اطلاعات محلی، مثلاً اطلاعاتی درباره توزیع آب روی سطح فعال را داشته باشند. تا به حال، تنها یک نوع روش تشخیصی تصویربرداری نوترونی برای مؤلفین شناخته شده بود که هر سه ویژگی ذکر شده در بالا را داشت. هرچند منبع نوترون لازم برای این روش، تنها در چند مرکز پژوهشی در سراسر جهان که به تجهیزات مقابله با تشعشعات رادیواکتیو مجهزند، در دسترس است. روش دیگری که تنها حائز ویژگی‌های (1) و (3) ذكر شده در بالا است، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی است. مشخصه کلیدی این روش، توانایی آن در تعیین نحوه توزیع آب در غشا است. هرچند به‌دلیل پاره‌ای محدودیت‌های مکانیکی، اندازه پیل‌سوختی‌ای که می‌توان با این روش، مورد بررسی قرار داد، محدود شده است. شکل (3) نتایج نوعی از سیستم یا روش کنترل آب درون یک MEA تحت عملیات را نشان می‌دهد.
مقاومت MEA با استفاده از روش MRED به‌صورت درجا تعیین گردید، در حالیکه جزء جرمی آب در GDL و غشا پس از جداسازی فیزیکی GDL از غشا از طریق وزن‌سنجی تعیین شد. ملاحظه می‌شود که مقدار بهینه آب در نوار باریکی بین 5 و 15 درصد مقدار كل ظرفیت آب است که خارج از آن مقاومت غشا شدیداً افزایش می‌یابد و یا GDL شروع به سرریز شدن می‌کند. خشک شدن غشا باعث کاهش دوام MEA می‌شود و این درحالی‌ است که با خشک شدن غشا و یا سرریز كردن GDL، عملکرد پیل‌سوختی افت می‌كند.
علاوه‌بر توزیع آب درون MEA، توزیع قطرات آب درون مجراهای جریان در عملکرد مطمئن استک پیل‌سوختی، به‌ویژه تحت شرایط استوکیومتری پایین یا در آغاز به كار اهمیت زیادی پیل دارد. وجود آب در هر کدام از مجراهای موازی به افزایش مقاومت در برابر جریان منجر می‌شود که این امر موجب کاهش جریان گاز شده و به نوبه خود روند تشکیل آب را افزایش می‌دهد. در نتیجه یک حلقه‌ پسخورد تشکیل می‌شود که به توزیع غیر یکنواخت جریان درون مجراها منجر می‌شود. به‌علاوه، توزیع جریان ممكن است، حالت پایای چند مرحله‌ای از خود نشان ‌دهد.
توزیع آب درون پیل‌سوختی در حال کار به‌وسیله تصویربرداری نوترونی و نیز روش مشاهده مستقیم توسط چندین پژوهشگر بررسی شده است. روش اخیر در بلارد بر روی پیل‌سوختی (در اندازه واقعی و با سطح فعال 300 سانتی‌مترمربع) به‌کار برده شده است. نقشه‌برداری جریان ارتباط بین دانسیته جریان محلی و میزان آب را نشان می‌دهد.
مجموعه‌ تصویربرداری شامل یک دوربین دیجیتالی سریع همراه با سیستم پردازش خودکار تصویر می‌باشد که اجازه تعیین كمی محتوای کل آب و نیز توزیع آن روی سطح فعال را تحت شرایط شبه ایستا مهیا ساخته است. با استفاده از این وسیله، توزیع آب در میدان جریان کاتد در محدوده وسیعی از شرایط عملیاتی مورد بررسی قرار گرفته است. (شکل 4) نتایج، نوعی توزیع قطرات آب را در نواحی فعال در پیل نشان می‌دهد. با رفتن از سمت چپ به راست در جهت جریان گاز واکنشگر، سه منطقه متمایز را می‌توان به ترتیب در ورودی و خروجی مشخص ساخت که محتوی آب کمتر و یک ناحیه در وسط که مقادیر بیشتری از قطرات آب ساکن را نشان می‌دهد. این مسئله را می‌توان بدین صورت توضیح داد که وجود منطقه خشک در ورودی به‌ویژه رطوبت نسبی كمتر از 100 درصد از تشکیل آب در مجراها جلوگیری می‌کند. حال آن‌که در خروجی، شار جریان آب در مجراها به تمیز شدن مداوم مجراها از طریق عبور لخته‌های آب و نیز جلوگیری از تشکیل قطرات منجر می‌شود. جالب‌تر اینکه الگوی گوه مانند در جهت عمود بر مجراها مشاهده می‌گردد. رسم نمودار میزان آب بر حسب پهنای پیل، در مجراهای میانه پیل، حداقل آب دارد و مشابه رفتاری است که مقاومت در برابر جریان در طول مجراها از خود نشان می‌دهد. در حالی‌که این ساختار، اجازه اندازه‌گیری مستقیم سرعت جریان گاز در مجراها را نمی‌دهد، اما فرض عبور بیشتر گاز واکنشگر از داخل مجراهای میانی قابل قبول است. این نتایج نشان می‌دهد که تجسم بخشیدن به جریان، می‌تواند در بهینه‌سازی توزیع آن داخل پیل‌سوختی تحت شرایط جریان دوفازی و نیز تأیید محاسبات مدل‌سازی شده، نقش تعیین‌کننده‌ای داشته باشد.
جنبه مهم دیگر مربوط به مدیریت آب، عبارت است از انتقال آب بین آند و کاتد. مقدار کل آب مورد نیاز با تلفیق میزان تولید آب و انتقال آن مقدار كه باید از طریق مجراهای جریان خارج شود، تعیین می‌گردد.. اگر مقدار آب انتقال یافته محلی معلوم باشد، آنگاه توزیع کل شار آب را می‌توان با استفاده از اندازه‌گیری توزیع جریان محاسبه کرد تا توزیع آب مشاهده شده توجیه شود.
تا اینجا بلارد، روش تجربی جدیدی برای اندازه‌گیری آب انتقال یافته و توزیع آن انجام داده است. آب‌ انتقال یافته بین آند و کاتد، گاهاً توسط فاکتور انتقال آب، α، تعریف می‌شود که نسبت شار جابه‌جایی آب به تشکیل آب است. فاکتور انتقال آب با سه مکانیزم مختلف: افت الکترو- اسمزی، نفوذ و همرفت تعیین می‌شود. معلوم شده است که فاکتور انتقال آب، جنبه تعیین‌کننده‌ای در مرطوب بودن غشا و در نتیجه بر رسانایی آن دارد، اگرچه در مقاله‌ها به ندرت به این مسئله اشاره شده است. این امر را می‌توان به‌دلیل مشکلات به‌دست آوردن موازنه آب دانست که بایستی دقت لازم را جهت تعیین شار جریان آب در غشا داشته باشد. اندازه‌گیری‌های موازنه آب به‌دلیل طبیعت دوفازی جریان‌های موجود در پیل‌های سوختی پلیمری پیچیده‌تر می‌شود.
جانسن (Janssen)، وُس (Voss) و همکاران دیگرش در بلارد، داده‌هایی را تولید کرده‌اند که امکان محاسبه فاکتور انتقال آب کلی را در استک پیل‌های سوختی پلیمری با جمع‌آوری آب در جریان‌های خروجی این استک‌ها ممکن می‌سازد. درحالیکه مِنچ (Mench) و همکاران غلظت آب را به‌صورت درجا اندازه‌گیری کرده‌اند. آن‌ها با استفاده از کروماتوگرافی گازی مقدار اجزای دیگر و نیز میزان آب موجود در فاز گازی را اندازه‌ گرفتند. علی‌رغم در دسترس بودن داده‌های محدود تجربی مربوط به فاکتور انتقال آب پیل‌های سوختی پلیمری، تلاش‌های زیادی نیز با تمرکز بر مکانیزم‌های توزیعی منفرد در دو دهه گذشته منتشر شده است. عمدتاً نتایج حاصل از چنین تلاش‌هایی موجب گردیده است مطالعات مدل‌سازی بتوانند فاکتور انتقال آب را برای پیل‌های سوختی پلیمری پیش‌بینی کنند. ساختار به‌کار رفته در آزمایشات ما با استفاده از حسگرهای جذب مادون قرمز (IR) به همراه تبخیر کامل آب، قادر است با دقت بالا، میزان انتقال آب را مستقل از مقدار آب موجود تعیین کند.
شکل (5) توزیع فاکتور انتقال آب به‌دست آمده با روش پیل فرعی (Sub-Cell) را نشان می‌دهد. از لحاظ تجربی، سطح 300 سانتی‌متر مربع به شش پیل فرعی متوالی با مساحت50 سانتی‌مترمربع تقسیم شده است و برای هر یک از این پیل‌های فرعی، آزمایش انتقال آب انجام می‌شود. هر یک از پیل‌های فرعی با دانسیته جریانی کار می‌کند که با انجام محاسبات مدل‌سازی میانگین‌‌گیری شده روی سطح پیل فرعی، پیش‌بینی شده است. اولین پیل فرعی، همان شرایط پیل اصلی را دارد و شرایطی که به پیل فرعی بعدی تحمیل می‌شود، بر اساس بار جریان و فاکتور انتقال آبی است که برای پیل فرعی قبلی اندازه‌گیری شده است. این روند به‌طور مرتب از یک ورودی به خروجی دیگر تکرار می‌شود تا تمام پیل‌های فرعی اندازه‌گیری شوند. در این شکل وابستگی شدید فاکتور انتقال آب به طول مجرای جریان نشان داده شده است. شكل (5) جابه‌جایی شدید آب را از آند به کاتد در ناحیه ورودی نمایان می‌سازد که به‌دلیل خشکی نسبی کاتد (RH ورودی برابر 38%) است. در دومین پیل فرعی مسیر جابه‌جایی آب به‌دلیل مرطوب شدن سریع گاز کاتد برعکس می‌شود و سپس دوباره در جهت آند-کاتد می‌شود و در مقدار 1/0=α برای سه پیل فرعی آخری تثبیت می‌گردد که احتمالاً به‌دلیل مصرف مداوم هیدروژن است که به اشباع شدن جریان آند منجر می‌شود.
این نتایج نشان می‌دهد، پیشرفت ابزارهای درجا می‌تواند بینش وسیعی در رابطه با مدیریت آب در پیل‌های سوختی پلیمری به‌دست دهد که با برهم کنش‌های پیچیده‌ای از پدیده‌هایی نظیر جریان دوفازی در مجراها، حالت‌های پایای چند مرحله‌ای در شبکه مجراها و جفت شدن جریان‌های سیال و جریان الکتریکی درون سطوح فعال در غشاهای تعویض پروتون مشخص می‌شود.
2- مدل‌سازی و شبیه‌سازی
برای کاستن از هزینه و مدت زمان چرخه ساخت محصول، نیاز مبرمی به ابزارهای مدل‌سازی و شبیه‌سازی احساس می‌شود تا با توجه به روش‌های گوناگون طراحی، بتوان عملکرد و دوام محصول را ارزیابی کرد. چنین مدل‌هایی برای به‌دست آوردن توانایی پیش‌بینی خواص ساختاری و فیزیکوشیمیایی مختلف اجزای پیل‌سوختی و اینکه چگونه طبق الزامات مصرف‌کننده بر نحوه عملکرد پیل تأثیر می‌گذارند، ضروری می‌باشند. چالش‌ اصلی برای مدل‌سازی ‌ پیل‌سوختی عبارت است از تعداد و پیچیدگی پدیده‌های درگیر مانند: انتقال بار، جرم و … حرارت همزمان، جریان دوفازی، تغییر فاز (بخار- مایع- یخ) و سینتیک واکنش‌های الکتروشیمیایی فصل مشترک که باید به دقت به‌صورت سه‌ بعدی ارائه شود. از دو طریق می‌توان به این چالش پرداخت: (الف) از طریق یک چارچوب سیستماتیک شبیه محاسبات دینامیک سیالات (CFD) و (ب) از طریق ساده‌سازی مدل‌های اساسی اولیه که با تمرکز بر روی یک مسئله مشخص، تعداد فرایندها را محدود می‌کند و یا ابعاد را به یک بعد یا دو بعد کاهش می‌دهد. در بلارد هر دو رویکرد به‌کار برده شده است؛ استفاده از محاسبات CFD برای انتقال جرم به‌منظور بهینه‌کردن توزیع جریان و نیز کاهش افت فشار کانال‌ها، در صفحه میدان جریان و پیل‌های موجود در استک، از طریق توسعه مدل‌های اساسی اولیه صورت پذیرفته است (شکل 6).
شکل 3- توزیع آب در MEA به‌صورت تابعی از محتوی آب غشا. جزء جرمی آب GDL شامل جزء جرمی آند و کاتد هر دو می‌شود.
شکل 4- نقشه‌های دوبعدی از قطرات آب ساکن در مجراهای جریان کاتدی به روش تجربی با استفاده از یک پیل‌سوختی اصلاح شده برای تصویربرداری ازجریان تهیه شده است. ورودی‌های واکنشگر: سمت چپ، خروجی‌ها: سمت راست. شرایط عملیات: عملیات هم- جریان، دانسیته جریان: Acm-20/1 رطوبت نسبی آند: 100% ، (α) رطوبت نسبی کاتد: 100% و (h) رطوبت نسبی کاتد: 50%
شکل 5- پروفایل فاکتور جابه‌جایی آب، α، از آند به کاتد در امتداد مجراهای جریان، شرایط عملیاتی: هوا/ هیدروژن جریان ورودی؛ دانسیته جریان: Acm-2 27/0؛ استوکیومتری آند به کاتد: 108/106؛ به نقطه شبنم کاتد/ آند: °C38/63؛ °C65 =ورودیT، °C69 =خروجیT
شکل 6- نمایی شماتیک از کاربرد مدل‌سازی CFD.
 
 
پایگاه فرهنگی هنری ایران ناز

مطالب خواندنی و جالب

گالری عکس های دیدنی و جالب

Xبستن تبلیغ
بواسیر
Xبستن تبلیغ
آنلاین بازی کنید