ساخت پیل سوختی غشاء پلیمری تک سلول با دیوار شفاف و بررسی مدیریت آب در سمت کاتد

تولید توان همواره یکی از چالش برانگیزترین مسائلی است که بشر با آن مواجه بوده است. یکی از ابزارهای تولید توان که امروزه توجه جوامع علمی را به طور جدی به خود معطوف نموده، پیل های سوختی می باشند که بدون ایجاد آلودگی های زیست محیطی و صوتی، توانایی تولید انرژی الکتریکی با بازدهی بالا را دارند و بسته به نوع غشاء بکاررفته در آن ها، به انواع مختلفی تقسیم بندی می شوند. در این میان پیل‎ های سوختی غشاء پلیمری که غالباً در محدوده ی دماهای پایین (کمتر از 100 درجه سانتی گراد) کار می کنند، از جمله پیل هایی می باشند که به خاطر مزایای عمده ای همچون بازده تبدیل انرژی و چگالی توان بالا، در زمینه های مختلف کاربردهای گسترده ای پیدا کرده اند. آب و حرارت از محصولات ناشی از واکنش الکتروشیمیایی انجام شده در این نوع پیل می باشد که مدیریت هر یک از آنها چالش های مربوط به خود را در تولید توان به همراه دارد. به عنوان نمونه مبحث مدیریت آب یکی از مسایل دارای اهمیت در پیل های سوختی غشاء پلیمری برای رسیدن به بیشترین عملکرد و پایداری می باشد. عدم مدیریت صحیح آب می تواند منجر به کاهش قابل ملاحظه توان و یا حتی از کار افتادن پیل سوختی گردد که یکی از موانع مهم در راستای تجاری سازی این فناوری محسوب می شود. یکی از پدیده های ناشی از مدیریت غلط آب، آب گرفتگی یا طغیان در پیل می باشد که به صورت گسترده ای در طول دو دهه گذشته مورد توجه قرار گرفته است. به دلیل اهمیت بالای طغیان پژوهش های بسیاری برای تشخیص، مشاهده و تاثیر آن بر عملکرد پیل انجام گرفته است. در راستای شیوه های آشکارسازی و تشخیص پدیده طغیان می توان به بررسی نوری مستقیم اشاره نمود که از پرکاربردترین روش ها نیز می باشد. این شیوه نیازمند طراحی خاص و جایگزینی دیوارهای شفاف با انواع مرسوم می باشد تا امکان مشاهده بصری درون پیل فراهم آید. تاکنون پژوهش های بسیاری در فرایند طراحی و ساخت پیل های سوختی شفاف انجام شده است. در تمامی این طراحی ها بزرگترین سطح فعال 100 سانتی متر مربع بوده و از ساده ترین هندسه ها بهره گرفته شده است. اما با توجه به ابعاد این نمونه های آزمایشگاهی نسبت به اندازه های پیل های صنعتی این تردید به وجود می آید که ممکن است نتایج حاصل از این سری مطالعات قابل تعمیم به نمونه های رایج در صنعت نباشد. بنابراین ضرورت دانسته می شود به طراحی و ساخت یک پیل سوختی غشاء پلیمری شفاف با مقیاس بزرگ همراه با میدان جریان پیچیده تر مشابه با پیل های سوختی صنعتی پرداخته شود تا بتوان عملکرد آن ها را با هم به درستی مقایسه کرد. در پژوهش حاضر این مساله مورد توجه واقع شده است. یکی از مسایل مهم در مونتاژ پیل های سوختی به ویژه در مقیاس های بزرگ، اعمال نیروی کافی و موثر به صفحات انتهایی می باشد. این نیرو مقدار بهینه ای دارد و می تواند با مصالحه ای بین افت های اهمیک و افت های غلظتی به طور تجربی تعیین شود. در این پژوهش تست های مربوط به بررسی تأثیر نیروی محکم کننده بر عملکرد سلول انجام می شود. هدف از انجام این تست ها دست یابی به این نقطه ی بهینه می باشد. پس از تعیین مقدار نیروی بهینه برای این پیل شفاف، تمامی آزمایش های مربوط به شرایط کاری شامل دمای گازهای ورودی، رطوبت نسبی گازهای تغذیه شونده و نرخ استوکیومتری انجام می شود. سپس تأثیر این شرایط با در نظر گرفتن مبحث مدیریت آب بر روی عملکرد پیل سوختی ساخته شده مورد بررسی قرار می گیرد.