ساخت، آزمایش ایستگاهی و مدل سازی صفحات نانوکامپوزیت پلیمری برای بکارگیری در صفحات دوقطبی پیل های سوختی هیدروژنی

هدف از این پژوهش تولید و آزمایش ایستگاهی یک صفحه دوقطبی کامپوزیتی با هدایت الکتریکی، خواص مکانیکی و عبوردهی گاز مناسب برای بکارگیری در پیل سوختی پلیمری است. برای ساخت کامپوزیت از الیاف کربنی مثل کربن نانولوله، گرافیت، گرافیت منبسط شده و کربن فیبری کربن به عنوان پرکننده و رزین نوالاک به عنوان زمینه، به روش فشارگرم استفاده شد. در این تحقیق کامپوزیت های تک پرکننده، دو پرکننده و سه پرکننده ساخته شد و آزمایش های خمش، ضربه، سختی، تعیین تخلخل، هدایت الکتریکی و حرارتی، گرماوزنی-کالری متری و عبوردهی گاز بر روی آنها انجام گرفت و در نهایت کامپوزیت با ترکیب 45 درصد وزنی گرافیت، 10 درصد کربن فیبری، 5 درصد گرافیت منبسط شده همراه با پارچه کربنی در وسط، به عنوان کامپوزیت مناسب برای صفحات دوقطبی معرفی شد. کامپوزیت نهایی دارای هدایت الکتریکی s/cm 101، هدایت حرارتی w/mk 6/9، استحکام خمشی mpa 70، انرژی شکست j/m 50 و بدون نشت گاز بوده است که این مقادیر بیش از مقادیر مورد انتظار انجمن انرژی آمریکا (doe) می باشد. برتری این تحقیق نسبت به کارهای دیگران این بوده است که این کامپوزیت توانست از نظر خواص الکتریکی-حرارتی، مکانیکی، عبوردهی گاز و سبکی به خواص مورد نیاز در انجمن انرژی آمریکا برسد و از این حیث، کاری است که برای اولین بار در کشور انجام می شود. نتایج آزمایش ایستگاهی تک پیل نشان می دهد که این کامپوزیت در مجموع عملکرد قابل قبولی داشته است به طوری که در ولتاژ 6/0 قادر است جریان 9/0 آمپر را ایجاد و به دانسیته توان نهایی mw/cm2 812 رسید که این مقدار نزدیک به کامپوزیت های تجاری entegris و ierc در همان شرایط پیل بوده و بیش از چهار برابر آمپراژ با صفحات دوقطبی فلزی (نظیر تیتانیم، فولاد زنگ نزن 316 و 430) بوده است. علاوه بر مقایسه عملکرد پیل سوختی با کامپوزیت های تجاری دیگر، مقایسه کیفی-کمی از نظر وزن، ماندگاری و قیمت تمام شده بین صفحات دوقطبی کامپوزیت پلیمری با صفحات دوقطبی گرافیتی و فلزی نیز انجام شد که نتایج نشان می دهد که صفحه دوقطبی کامپوزیتی در کاربردهای غیر قابل حمل که نیاز به قیمت کم و ماندگاری بالا می باشد بسیار مناسبند. در تحقیق حاضر مقاومت تماسی الکتریکی و حرارتی بین دو قطعه صفحه دوقطبی و لایه الکترود اندازه گیری شد. نتایج مقاومت تماسی الکتریکی و حرارتی نشان داد که شیمی سطح و فشار پشتی دو عامل تأثیرگذار بر روی این مقاومت ها می باشند. همچنین در این تحقیق به کمک یک مدل کد نویسی شده از پیل سوختی وضعیت طغیان آب و عملکرد پیل با استفاده از صفحات دوقطبی کامپوزیتی، فلزی و گرافیتی شبیه سازی شد. در ادامه تحقیق یک مدل تجربی-آماری-ترمودینامیکی برای هدایت الکتریکی کامپوزیت پلیمر/کربن ارائه گردید که بر اساس فرمول سیگمویدال بنا نهاده شده و نتایج داده های مدل شده و تجربی نشان می دهد که جواب مدل هم خوانی خوبی با داده های عملی دارد.