Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Zhiani
محمد ژیانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Saideh Kamali
سعیده کمالی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Influence of Diffusion Layer Ink Manufacturing Process on the Microstructure and Performance of Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathode
In PEM fuel cells, one of the most important components is a gas diffusion layer (GDL). The GDL performs the essential functions such as passage for reactant gases from flow field channels to catalyst layers, removal of produce water from the catalyst layer area to flow field channels, electronic conductivity by providing passage for electron traort from bipolar plates to catalyst layers, heat conductivity by providing efficient heat conduction between bipolar plates and membrane electrode assembly (MEA), mechanical support to the membrane electrode assembly (MEA), and protection of the catalyst layer from corrosion or erosion caused by flows or other factors. The GDL plays a crucial role in water management that maintains the delicate balance between membrane hydration and water removal from cell. GDL manufacturing process is an effective parameter on PEM fuel cell performance, because it can change the structure and composition of the GDL. In this study, electrochemical techniques were applied to investigate the effect of four cathode diffusion layer inks mixing procedures on the microstructure of gas diffusion electrode and polymer electrolyte fuel cell performance. Homogeneity of gas diffusion layer inks have been supplied following four methods: three techniques of using ultrasound waves including pulse ultrasonic, continuing ultrasonic and bath ultrasonic, and a technique of using mechanical force which was magnetic stirring. GDL inks for cathode electrodes had the same compositions but they prepared by different mentioned techniques. The performance of cell with the electrode made by pulse ultrasonic technique was also measured under different operational conditions such as various cell temperatures, pressures and cathode relative humidity in order to choose proper operational condition for comparative tests. Then, four electrodes which had diffusion layers made by different techniques were evaluated at chosen operational condition. The performance of cells was evaluated by electrochemical tests such as polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy. Lastly, morphological images of the GDLs in MEA have been analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Results of the cell performance showed an improvement in maximum power density in order of 30% for the cell that its diffusion layer was made by bath ultrasonic technique in comparison to other cells. Electrochemical impedance spectroscopy confirmed the polarization results. This can be attributed to the effect of manufacturing process on the homogeneity and porosity of diffusion layer microstructure. SEM micrographs showed that the type of diffusion layer mixing method can influence on its surface morphology. Surface morphology of diffusion layer made by bath ultrasonic technique revealed that it has a more homogenous and crack free microstructure in comparison to surface morphology of other diffusion layers. The diffusion layer made by magnetic stirring had a non homogenous surface with irregular channels.
لایه ی نفوذ یک جزء اساسی در پیل سوختی است که وظایف مهمی، از جمله نفوذ واکنشگرهای گازی، نفوذپذیری مایع، هدایت الکتریکی، هدایت گرمایی و تقویت مکانیکی را انجام می دهد. لایه ی نفوذ، در مدیریت آب پیل سوختی یک نقش حیاتی را ایفا می کند و تعادل میان هیدراسیون غشاء و آب زدایی را برقرار می نماید. روش ساخت لایه ی نفوذ می تواند بر عملکرد پیل سوختی مؤثر باشد. زیرا روش ساخت می تواند بر ریز ساختار لایه ی نفوذ و در نتیجه بر چگونگی ایفای نقش آن تأثیر داشته باشد. در این پروژه تأثیر فرایند اختلاط جوهر لایه ی نفوذ بر ریز ساختار الکترود نفوذ گازی و عملکرد پیل سوختی پلیمری مورد بررسی قرار گرفته است. روش‌های مورد بررسی در این تحقیق شامل به کارگیری امواج فراصوت ضربانی و ادامه دار، حمام فراصوت و روش مکانیکی بودند. بدین منظور، الکترود های دارای لایه نفوذ یکسان از نظر ترکیب، امّاآماده شده به روش های متفاوت و دارای لایه های کاتالیست یکسان در شرایط واقعی پیل سوختی آزمایش شدند و ریز ساختار آن ها مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا الکترود دارای لایه ی نفوذ ساخته شده به کمک امواج فراصوت ضربانی در شرایط عملیاتی مختلف شامل دماهای مختلف پیل، فشار ها و رطوبت های نسبی کاتد متفاوت مورد ارزیابی قرار گرفت تا مناسب ترین شرایط عملیاتی برای انجام آزمایشات مقایسه ای تعیین گردد. پس از تعیین مناسب ترین شرایط عملیاتی، چهار سری الکترود دارای لایه های نفوذ یکسان از نظر ترکیب، اما آماده شده به روش های متفاوت در شرایط عملیاتی مشخص شده با یکدیگر مقایسه شدند. آزمایشات الکتروشیمیایی شامل ثبت منحنی های پلاریزاسیون و طیف بینی امپدانس الکتروشیمیایی بودند. بررسی ساختار سطحی لایه های نفوذ تهیه شده نیز به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد. نتایج به دست آمده در پیل سوختی نشان داد که پیک دانسیته ی توان الکترود دارای لایه ی نفوذ ساخته شده به روش حمام فراصوت به صورت قابل ملاحظه ای بالاتر از دیگر الکترود هاست. این نتایج با نتایج امپدانس الکتروشیمیایی نیز مطابقت دارد. دلیل آن به تأثیر روش ساخت جوهر بر میزان همگن شدگی و ریز ساختار لایه ی نفوذ مربوط است که در این کار به بررسی آن پرداخته شده است. نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می دهد که نوع فرایند مخلوط کردن لایه ی نفوذ سبب ایجاد تغییر بر ریخت شناسی سطح لایه ی نفوذنیز می گردد. به طوری که لایه ی نفوذ تهیه شده به روش حمام فراصوت دارای توزیع یکنواخت ذرات و ریز حفره ها می باشد. در حالی که لایه ی نفوذ آماده شده به روش همزن مغناطیسی دارای سطح غیر یکنواخت و کانال های نامنظمی می باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی