23420

مدلسازي تخريب مكانيكي غشاهاي هيدروكربني تبادل پروتون براي كاربرد در پيل‌هاي سوختي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي گرايش فرآيندهاي جداسازي

1396

1399/11/28

سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي، نفت و گاز

با توجه به قيمت بالاي غشاهاي پرفلويورينه، غشاهاي هيدروكربني مانند پلي اتر اتر كتون سولفونه شده يا پلي سولفون سولفونه شده براي استفاده در پيل‌هاي سوختي غشاء الكتروليت پليمري بسيار موردتوجه پژوهشگران قرارگرفته‌اند. بنابراين بررسي عملكرد و دوام شيميايي و مكانيكي آن‌ها از اهميت خاصي براي تجاري‌شدن آن‌ها برخوردار است. تخريب مكانيكي مي‌تواند به‌ صورت ناگهاني سبب ايجاد شكاف يا سوراخ در غشاء شده و كاركرد مجموعه پيل سوختي را مختل كند. عواملي همچون پرس نامناسب مجموعه الكترود-غشا، ضربه‌هاي احتمالي به مجموعه و نوسانات دمايي و رطوبتي مي‌توانند طول عمر مجموعه الكترود-غشاء را تحت تاثير قرار دهد. در اين كار مدلسازي، يك نيم-سل به صورت سه‌بعدي شامل كانال عبور جريان گازهاي واكنشي و صفحات دوقطبي، لايه هاي نفوذ گازي، لايه‌هاي ميكرومتخلخل و غشا مدل گرديده‌است. اين مدل سه‌بعدي به روش اجزا محدود و توسط نرم‌افزار COMSOL Multiphysics 5.5 مورد تحليل قرار گرفت. در اين مدلسازي مكان‌هاي آسيب‌پذير غشا دراثر ايجاد تنش و كرنش در آن تحت رطوبت‌هاي ورودي مختلف به مجموعه، دماهاي عملياتي مختلف سامانه و نيروهاي فشاري ايجاد شده بر غشاء محصور در مجموعه‌ي الكترود-غشاء، مورد بررسي قرارگرفت. نتايج مدلسازي نشان مي‌دهد كه تاثير نيروي فشاري از دو عامل ديگر بيشتر است. به طوري كه با افزايش نيروي فشاري از 1MPa به 3MPa، مقدار تنش فون‌ميزس بيشينه از 30/7MPa به 32/1MPaدر هندسه‌ي مدل افزايش يافت. همچنين نتايج مدلسازي نشان مي‌دهد كه در نواحي ورودي و خروجي غشا، سطح غشا به خصوص در زير صفحات دوقطبي و ناحيه‌ي حدواسط كانال و Land تمركز تنش بيشتري وجود دارد. با بررسي تغييرات كرنش در سطح غشا مشخص گرديد كه كرنش در نواحي زير صفحات دوقطبي از نوع فشاري و در ناحيه‌ي كانال از نوع كششي مي‌باشد. بيشترين ميزان كرنش در مقطع ورودي و خروجي پيل‌سوختي و در گوشه‌هاي غشاء وجود دارد. افزايش نيروي فشاري يكنواخت و رطوبت بالاي گازهاي ورودي(80 درصد و بالاتر) موجب افزايش بيشتر كرنش‌هاي بيشينه‌ي فشاري و كششي در نواحي مختلف غشاء مي‌گردد. با افزايش نيروي فشاري از 1MPa به 3MPa در دما و رطوبت ورودي ثابت، ميزان كرنش فشاري بيشينه در ناحيه‌ي Land بر سطح غشاء از 19 درصد به 28 درصد افزايش مي‌يابد. همچنين افزايش رطوبت گازهاي ورودي از 30 درصد به 80 درصد در دما و نيروي فشاري ثابت نيز موجب افزايش كرنش كششي بيشينه از 14 درصد به 40 درصد در ناحيه‌ي كانال در سطح غشاء مي‌شود.

1400/01/23

Modeling of the Mechanical Degradation of Hydrocarbon Proton Exchange Membranes for Fuel Cells

2/17/2022 12:00:00 AM

Due to the high cost of perfluorinated membranes, hydrocarbon membranes such as sulfonated poly (ether ether ketone)(SPEEK) or sulfonated polysulfone for using in proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs) have received much attentions from researchers. Therefore, the examination of their chemical and mechanical performances and durability are very important for commercialization. Mechanical degradation can cause sudden cracks or holes in the membrane and disrupt the operation of the fuel cell. Some factors including inappropriate pressing of the membrane-electrode assembly(MEA), possible shocks to the assembly, and temperature and humidity fluctuations can affect the life of the MEA. In this work, a half-cell in three dimensions, including reactive gas flow channels and the bipolar plates, gas diffusion layers, microporous layers and membrane has been modeled. This three-dimensional model has been analyzed by finite element method using built-in code. In this modeling, the vulnerable locations of the membrane due to stresses and strains under different inlet moisture, operating temperatures and compressive forces have been investigated. The modeling results represent that the effect of compressive force is greater than those of two factors. So, by increasing of the compressive force from 1MPa to 3MPa, the maximum von Mises stress value has increased from 30.7 MPa to 32.1 MPa. The modeling results also show that in the inlet and outlet areas on the surface of the membrane particularly under the bipolar plates and the area between the channel and the land, there is more stress concentration. By examining the strain changes on the membrane surface, it was found that the strain in the areas below the bipolar plates is of the compressive type and in the channel areas is of the tensile type. The maximum strain exists at the inlet and outlet of the fuel cell and on the corners of the membrane. Uniform compressive force and high moisture content of the inlet gases (80% and above) increases the maximum compressive and tensile strains in different areas of the membrane. When the compressive force increases from 1MPa to 3MPa at the constant inlet temperature and humidity, the maximum compressive strain in the land region on the membrane surface increases from 19% to 28%. Also, increasing the moisture content of the inlet gases from 30% to 80% at the constant temperature and compressive force, increases the maximum tensile strain from 14% to 40% in the channel region on the membrane surface.

پيل‌سوختي , مدلسازي , تخريب‌ مكانيكي , غشاء پلي اتراتركتون سولفونه‌شده

fuel cell , modeling , mechanical degradation , sulfonated poly(ether ether ketone) membrane