عنوان پایان‌نامه
ساخت یک نمونه MEA پیل سوختی الکترولیت پلیمری و بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر عملکرد آن
- رشته تحصیلی
- مهندسی انرژیهای جدید پذیر
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 56986;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 23
- تاریخ دفاع
- ۱۵ بهمن ۱۳۹۱
- استاد راهنما
- محمدحسن ایکانی, مهدی مهرپویا
- دانشجو
- گیتی نوری
- چکیده
- پیل¬های سوختی ابزارهای الکتروشیمیایی برای تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی موجود در سوخت به الکتریسیته با کارایی بالا هستند. در میان انواع پیل¬های سوختی، پیل سوختی الکترولیت پلیمری جزء مهمترین پیل¬ها محسوب می-شود. مجموعه الکترودغشاء، بخش اصلی پیل سوختی بوده و از دو لایه نفوذ گازی، دو لایه کاتالیست و غشاء، تشکیل شده است. این پایان¬نامه اختصاص به ساخت نه عدد نمونه مجموعه الکترودغشاء پیل سوختی الکترولیت پلیمری و بررسی اثر پارامترهای ساخت بر عملکرد آن جهت تعیین مقادیر بهینه پارامترها، دارد. مروری کامل بر فناوری پیل سوختی، پیل¬های سوختی الکترولیت پلیمری، روش¬های ساخت مجموعه الکترودغشاء و پارامترهای مو?ثر بر آن، بانجام رسید. نه عدد مجموعه الکترودغشاء بر اساس پارامترهای مختلف (میزان بارگذاری کربن در لایه نفوذ گازی،محتوای نفیونی، دمای خشک کردن لایه کاتالیست و دمای پرس داغ) با روش طراحی آزمایش تاگوچی ساخته شده و عملکرد آنها باهم مقایسه گردید. این مجموعه¬های الکترودغشاء با سطح فعال cm2 25 شامل نفیان 117 بعنوان غشاء و یک الکتروکاتالیست (Pt/C 40%) با بارگیری mg/cm2 5/0 بودند که لایه¬نشانی با روش پاشش انجام شد. عملکرد مجموعه¬های الکترودغشاء با قرارگیری در یک تک¬سل پیل سوختی الکترولیت پلیمری توسط دستگاه تست پیل سوختی، مورد سنجش قرار گرفت. نتایج بدست¬آمده از منحنی¬های پلاریزاسیون این مجموعه¬های الکترودغشاء جهت تعیین مقادیر بهینه پارامترهای ساخت موردنظر با روش آنالیز تاگوچی توسط استفاده از نرم¬افزار Qualitek-4، مورد تحلیل قرار گرفتند. تحلیل نتایج نشان داد که وجود لایه میکرومتخلخل بدلیل ایجاد سطح یکنواخت و کاهش مقاومت اهمی باعث افزایش عملکرد می¬شود که این پارامتر بیشترین سهم را در تأثیرگذاری بر عملکرد را داشته و میزان بهینه آن در این پژوهش سه میلی¬گرم بر سانتیمترمربع کربن بدست آمد. همچنین عوامل تأثیرگذار مهم دیگر بترتیب دمای خشک کردن لایه کاتالیست و میزان بهینه محتوای نفیونی بودند که میزان بهینه آنها نیز بترتیب 45%، 60 درجه سانتیگراد بدست آمد. از سوی دیگر، تأثیر دمای پرس داغ بدلیل کوچک بودن مجموع مربعاتش بعنوان خطا ادغام شد. عملکرد (چگالی توان) مورد انتظار از مجموعه الکترودغشاء ساخته شده توسط این مقادیر بهینه، 447/184 میلی¬وات بر سانتیمترمربع می¬باشد. واژه¬های کلیدی: پیل سوختی الکترولیت پلیمری، مجموعه الکترودغشاء، لایه نفوذ گازی، لایه کاتالیست، منحنی پلاریزاسیون
- Abstract
- Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy of the fuel directly into electricity at high efficiency. Polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs) are considered as a key component among other types of fuel cell systems. Membrane Electrode Assembly (MEA) is the main part of the PEMFC formed by two gas diffusion layers (GDLs), two catalyst layers (CLs) and a membrane. This thesis deals with the fabrication of nine MEAs for PEMFC and analyzes the effects of fabrication parameters on MEAs performance. Analyzing these parameters gives us the chance to determine the optimal values of the parameters to fabricate MEAs. A comprehensive review of fuel cell technology, polymer electrolyte fuel cells, the fabrication methods of MEAs and the parameter effects was carried out. Nine MEAs with different specifications (carbon loading in GDL, Nafion® content, CL drying temperature and hot pressing temperature) were fabricated considering the Taghuchi experimental design and their performance was investigated. These MEAs with an active area of 25 cm2 consisted of Nafion® 117 as a membrane and an electrocatalyst (Pt/C 40%) with loading of 0.5 mg/cm2 and the spraying method was used for preparation. The performance of the MEAs was evaluated by placing them in a single PEMFC and testing with a PEMFC test station. The results obtained from the polarization curves of the MEAs were analyzed by Qualitek-4 software in order to determine the optimal values of fabrication parameters. Analysis of the results shows that the existence of Microporous layer (MPL) in GDL would improve the performance of PEMFC, because of creating an even and steady surface that would decrease the ohmic resistance. The results confirmed that the robustness of the optimum fabrication parameters influencing the performance of fuel cell are founded by carbon loading in GDL, 3 mg.cm-2; catalyst drying temperature, 60 ?; Nafion content, 45%; but the hot pressing temperature is pooled as error due to a small sum of squares. The expected performance of the fuel cell at the optimum conditions would be 184.447 mW.cm-2. Key words: Polymer electrolyte fuel cell; Membrane electrode assembly; Gas diffusion layer; Catalyst layer; Polarization Curve
