PEM عﻮﻧ ﯽﺘﺧﻮﺳ ﻞﯿﭘ یدﺮﮐرﺎﮐ ژﺎﺘﻟو رد بآ ﺖﯾﺮﯾﺪﻣ ﺮﯿﺛﺄﺗ

Transcript

1 تا ثیر مدیریت آب در ولتاژ کارکردی پیل سوختی نوع PEM خلاصه 1 1 رامین روشندل اسماعیل ساعیور ایرانیزاد بیژن فرهانیه 1 دانشگاه صنعتی شریف دانشگاه تربیت مدرس پیل سوختی یک دستگاه الکتروشیمیایی است که میتواند انرژی شیمیایی را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل کند. از مزایای این سیستم میتوان به راندمان بالا عدم آلودگی محیطزیست و استفاده در سطوح مختلف تولید قدرت اشاره کرد. پیلهای سوختی بنا به نوع الکترولیتی که از آن استفاده میکنند طبقهبندی میشوند. که انواع مختلف آنها عبارتند از: پیلهای سوختی پلیمری پیلهای سوختی قلیایی پیلهای سوختی اکسید جامد و پیلهای سوختی کربنات مذاب. تاکنون پیلهای سوختی پلیمری به دلیل چگالی قدرت بالا و کار در دمای پایین بیش از سایر انواع پیلهای سوختی مورد توجه قرار گرفتهاند. یک پیل سوختی PEM با توجه به الکترولیت پلیمری خود برای رسانش یونها باید دارای رطوبت کافی باشد. اگر این رطوبت تا مین نشود رسانندگی غشا کاهش یافته توان خروجی پیل دچار افت میشود. از طرف دیگر مقدار آب اضافی باعث بستهشدن منافذ الکترودها شده مانع رسیدن هوا برای انجام واکنش شیمیایی در پیل میشود. در این مقاله ابتدا انواع افت پتانسیلهایی که یک پیل سوختی PEM در کارکرد خود با آنها رو به رو است محاسبه میشود و سپس تا ثیر کاهش یا افزایش مقدار رطوبت پیل بر ولتاژ کارکردی آن با استفاده از یک برنامه کامپیوتری مورد بررسی قرار میگیرد. واژه های کلیدی: سیستمهای انرژی پیلهای سوختی PEM مدیریت آب

2 مقدمه یک پیل سوختی سیستمی است که انرژی شیمیایی را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکند تفاوت این سیستم با باتریهای متداول امروزه آن است که پیلهای سوختی نیاز به شارژ ندارند و به طور پیوسته تا زمانی که سوخت آنها تا مین شود به کار خود ادامه میدهند. مزایای این سیستم عبارتند از: راندمان بالا (حدود 60 درصد) عدم آلودگی محیطزیست امکان استفاده از سوختهای مختلف امکان کار در دمای پایین (پایینتر از 100 درجه سانتیگراد) چگالی قدرت بالا پیلهای سوختی پلیمری یک نوع از پیلهای سوختی هستند که الکترولیت آنها از یک ماده پلیمری (معمولا نافیون) ساخته میشود. این پیلها از هیدروژن به عنوان سوخت و از هوا به عنوان اکسیدکننده استفاده میکنند. هیدروژن به سمت الکترود آند هدایت میشود و در مجاورت کاتالیست مطابق واکنش زیر تجزیه میشود: g H H 4 4 O 4e 4H H O e الکترونهای آزادشده در واکنش بالا با شارش در مدار خارجی انرژی الکتریکی خروجی پیل سوختی را تشکیل میدهند. از طرف دیگر یونهای هیدروژن مثبت یا همان پروتونها با عبور از الکترولیت به الکترود دیگر (کاتد) میرسند. در این الکترود اکسیژن به جداره آن برخورد میکند و واکنش زیر در مجاورت کاتالیزور روی میدهد: بدین ترتیب در یک پیل سوختی واکنش کلی زیر روی میدهد: O H O ولتاژ مدار باز در پیل سوختی H تغییر در انرژی آزاد گیبس در پیلهای سوختی به معنی مقدار انرژی آزادشده است. در یک پیل سوختی محصول آب و واکنشدهندهها اکسیژن و هیدروژن هستند در این صورت خواهیم داشت: ( g ) H ( ) ( ) O g H g O H در یک پیل سوختی به ازای هر ملکول هیدروژن دو الکترون آزاد میشود. پس ما اگر یک مول هیدروژن داشته باشیم و تمام این ملکولها در دیواره الکترودها واکنش بدهند N الکترون خواهیم داشت که N عددد آووگادرو میباشد. در این صورت باری که در مدار خارجی پیل سوختی شارش میکند برابر Ne است که e بار الکترون است. به حاصلضرب Ne ثابت فارادی میگویند که برابر کولن است. در این صورت: Ne F coulombs

3 اگر پیل سوختی را یک سیستم برگشتپذیر در نظر بگیریم کار الکتریکی خارجی که قبلا تعریف شد برابر تفاوت انرژی آزاد گیبس در واکنش پیل سوختی خواهد شد: g FV OC g E F بنابراین : که در حقیقت معادله بالا EMF و یا ولتاژ مدارباز یک پیل سوختی را معین میکند. در دما و فشارهای متفاوت ولتاژ مدار باز از رابطه زیر به دست میآید:[ 1 ] RT V OC ( T 98) 4F ( p p ) ولتاژ کارکردی پیل سوختی ln H O همانطور که قبلا گفته شد ولتاژ مدار باز یک پیل سوختی از رابطه زیر به دست میآید: g E F که این مقدار حدودا 1/3 ولت را نشان میدهد. اما در عمل وقتی یک پیل سوختی برای تولید قدرت به کار رود مقدار ولتاژ تولیدشده کمتر از این مقدار است این امر به دلیل افت پتانسیلهایی که در شرایط کارکردی برای یک پیل سوختی رخ میدهد. این افت پتانسیلها عبارتند از: تلفات فعالسازی به دلیل سرعت پایین واکنش در سطوح الکترودها اتفاق میافتد. این افت ولتاژ از رابطه زیر به دست میآید:[ 1-4 ] η act RT F I 0 I 0, I ln I چگالی جریان تبادلی است که از رابطه زیر به دست میآید:[ 1-4 ] S W U 0 I 0 I 0, S در رابطه بالا در رابطه بالا: : چگالی جریان تبادلی در واحد سطح مربوط به پلاتین : مساحت سطح کاتالیستی : W بار کاتالیست در الکترودها : U ضریب استفاده کاتالیست

4 است. جریانهای داخلی (جابجایی) الکترولیت باید فقط یونها را از خود عبور دهد ولی معمولا مقداری الکترون و یا سوخت که پس از نفوذ از سطح الکترودها وارد الکترولیت شدهاند هم از آن عبور میکنند که این مسا له باعث افت ولتاژ خواهد شد. به این جریانها یعنی جریانهای ناشی از الکترونها و سوخت درون الکترولیت جریانهای داخلی میگویند. با استفاده از [1-4] خواهیم داشت. که در رابطه بالا: : v سرعت آب در منافذ غشا : k رسانندگی یونی غشا است. مقاومت اهمی η FC conv H lm v k cm / s مقاومت الکتریکی در مقابل الکترونها در الکترودها و همچنین مقاومت در برابر عبور یونها در الکترولیت موجب افت ولتاژی خواهد شد که همان مقاومت اهمی است. مقاومت اهمی در غشا از رابطه زیر به دست میآید:[ 1-4 ] ηohm IR cell Rmem lm Rcell τ R kτ R که در رابطه بالا: : آهنگ مقاومت غشا R : lm ضخامت غشا است. انتقال جرم (اتلاف نفوذی) در نتیجه کاهش و یا افزایش غلظت ولتاژ پیل سوختی میتواند کم و یا زیاد شود. به دلیل آن که کاهش غلظت در مجاورت الکترودها میتواند باعث کمشدن انتقال جرم در یک پیل سوختی شود به این افت ولتاژ افت ولتاژ نفوذی هم میگویند. I lim ωti ln I lim I در رابطه بالا: ω: ثابت تجربی برای افت پتانسیل نفوذی η di I lim : چگالی جریان الکتریکی حدی است.

5 I از رابطه زیر به دست میآید:[ 14 [ lim مقدار I lim FD V cell V oc O N η d ( ε ) V act g l 1.5 m d η T 73 ohm η 0.83 di ( x ) ln 1 N η conv O cell DO N d : ε g d m در رابطه بالا: x O : ضریب نفوذ O در تخلخل گازی در لایههای نفوذ گازی : l ضخامت لایه نفوذ گازی کاتد : V حجم مولی گاز : کسر مولی است. بدین ترتیب ولتاژ کارکردی پیل سوختی از رابطه زیر به دست میآید: با به دست آوردن V به ازای مقدار جریانهای متفاوت منحنی پلاریزاسیون به دست میآید. تا ثیر مدیریت آب بر افت پتانسیلها همانطور که گفته شد در صورتی که مقدار رطوبت غشا کم باشد رسانندگی غشا کاهش مییابد. بنابراین ابتدا باید با استفاده از شرایط کارکردی پیل سوختی مقدار آب در طرف آندی (-M) و کاتدی (M) غشا را محاسبه کرد. این کار در مرجع [15] انجام شد و با استفاده از یک برنامه کامپیوتری مقدار این متغیرها محاسبه شد. در صورتی که مقدار این متغیرها مثبت باشند پیل سوختی دارای کمبود آب و اگر منفی باشند پیل سوختی دارای مقدار اضافی آب است. پس از به دست آمدن این متغیرها باید مقدار ضریب رسانندگی غشا را تصحیح کرد که این کار به وسیله رابطه زیر انجام میگیرد: 0 M k 1 M, 0 M k k 1 M, 0 M k 1 M, im im M 1 M, > 0, M > 0, M 0 0 im > 0, M > 0 به این ترتیب مقدار رسانندگی یونی با توجه به شرایط مرطوبسازی پیل سوختی به دست میآید که با قراردادن مقدار جدید رسانندگی یونی در رابطه افت پتانسیل اهمی میتوان مقدار تصحیحشده این افت پتانسیل را به دست آورد.

6 i M < 0 اگر مقدار متغیرهای -M و M به دست آمده منفی باشد نشاندهنده این وضعیت است که پیل سوختی دارای مقدار آب اضافی است در این صورت تخلخل لایه نفوذ گازی کاتد کاهش مییابد. برای تصحیح این مقدار از رابطه زیر استفاده میشود: ε M 1 M 1, d d,0 g ε g پس از آن این مقدار جدید در رابطه افت پتانسیل نفوذی قرار داده میشود و مقدار تصحیحشده آن به دست میآید. نتیجه گیری برای بررسی عددی تا ثیر مدیریت آب بر افت پتانسیلها و در نهایت ولتاژ کارکردی پیل سوختی برنامهای به زبان Matlab نوشته شد. در این برنامه یک تک پیل سوختی نوع PEM با غشا نافیون 117 در نظر گرفته شد و جریان الکتریکی از 0/0001 تا 1/0001 آمپر بر سانتیمتر مربع تغییر داده شد. با افزایش جریان الکتریکی افت پتانسیلها افزایش مییابند و ولتاژ کارکردی پیل در نهایت به سمت صفر میل میکند. در مدلهایی که قبلا برای محاسبه ولتاژ کارکردی پیل سوختی مورد استفاده قرار میگرفت رسانندگی یونی غشا و ضریب تخلخل لایه نفوذ گازی ثابت فرض میشد و تا ثیر رطوبت پیل سوختی بر این دو مقدار در نظر گرفته نمیشد. ولی در این برنامه با توجه به مقدار رطوبت مقادیر این متغیرها تصحیحشده و در هر مرحله از محاسبات به کار گرفته میشود. تا ثیر مدیریت آب در رسانایی یونی غشا و افت پتانسیل اهمی همانطور که در شکل شماره (1) مشاهده میشود با افزایش جریان الکتریکی و وقوع پدیده خشکی در آند رسانندگی یونی در غشا ثابت نمیماند و با توجه به مقدار کمبود رطوبت در آند مقدار رسانندگی یونی کاهش مییابد. شکل 1 رسانندگی یونی غشا برحسب جریان الکتریکی

7 با افزایش مقدار جریان الکتریکی مقدار افت پتانسیل اهمی افزایش مییابد اما با در نظر گرفتن تا ثیر رطوبت بر مقدار رسانندگی یونی با کاهش مقدار رسانندگی یونی مقدار افت پتانسیل اهمی افزایش بیشتری مییابد این مسا له در شکل شماره () نشان داده شده است. شکل مقاومت اهمی در پیل سوختی تا ثیر مدیریت آب در ضریب تخلخل لایه نفوذ گازی کاتد با افزایش جریان الکتریکی و تولید مقدار آب بیشتر در کاتد برخی از منافذ و حفرههای لایه نفوذ گازی کاتد بسته میشود و به این ترتیب مقدار ضریب تخلخل لایه نفوذ گازی کاتد مطابق شکل شماره (3) کاهش مییابد. شکل 3 ضریب تخلخل لایه نفوذ گازی کاتد در شکل شماره (4) مقدار افت پتانسیل نفوذی با ثابت فرضکردن ضریب تخلخل و تابع رطوبتبودن آن رسم شده است:

8 شکل 4 افت پتانسیل نفوذی در پیل سوختی تا ثیر مدیریت آب بر ولتاژ کارکردی پیل سوختی منحنی ولتاژ برحسب جریان الکتریکی یکی از اصلیترین مشخصههای عملکرد پیل سوختی است در شکل شماره (5) این منحنی یکبار با مقادیر ثابت رسانندگی یونی و ضریب تخلخل و یکبار با در نظر گرفتن این مقادیر به صورت تابعی از رطوبت رسم شده است. مراجع شکل 5 منحنی پلاریزاسیون در پیل سوختی 1- G. Maggio., V. Recupero and L. Pino., Journal o Power Sources 101(001) D. M. Bernardi and M. W. Verbrugge., AIChE J , D. M. Bernardi and M. W. Verbrugge., General Motors Report GMR-7360, 15 May T. E. Springer., M. S. Wilson., S. Gotteseld and J. Electrochem., Soc. 140 (1993)

9 5- R. C. Weast., Handbook o Chemistry and Physics, 6 nd Edition, CRC Press, Section, PP J. Larminie and A. Dicks., Fuel Cell System Explaind, John Whily & Sons, Ltd, C. E. Thomas., B. D. James and F. D. Lomax., Int. J. Hydrogen Energy, 3 (1998), PP R. Cownden., M. Nahon and M. A. Rose., Int. J. Hydrogen Energy, 6, 001, J. Cao., et al., Computational Simulation o Water Transport in PEM Fuel Cells, Institute or Integrated Energy System, University o Victoria, BC V8W 3P D. M. Bernardi., M. W. Verbrugge and J. Electro., Chem. Soc, 139, 199, P. Staiti., Z. Poltarzewsk., V. Alderucci., G. Maggio., N. Giordano and J. appl., Electro. Chem, 199, K. Kinoshita., F. R. McLarnon and E. J. Carins., Fuel Cell - A Hand Book, US Department o Energy, J. H. Hirschenhoer., D. B. Stauer and R. R. Engleman., Fuel Cell - A Hand Book, US Department o Energy, M. W. Verbrugge., R. F. Hill and J. Electrochem., Soc, 137, 1990, رامین روشندل بیژن فرهانیه اسماعیل ساعیور ایرانیزاد شبیهسازی مدیریت آب در پیل سوختی نوع.PEM