Skip to main content
SUPERVISOR
محمد ژیانی (استاد راهنما) حسین غریبی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Somaye Majidi
سمیه مجیدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388

TITLE

Investigation of the PEMFC Activation Procedures; Constant Current, Constant Potential and Combined Method and Development of a New Procedure for Gas Diffusion Electrode Pretreatment Based on Ultrasonic Technique
The major objectives of this project are to identify the fast and effective membrane –electrode assembly (MEA) activation procedure and to understand the MEA activation mechanism. In order to do that, the effect of three on-line activation procedures (constant current (0.25 A cm -2 ), constant voltage (0.6 V), and USFCC protocol) on the MEA performance were investigated. Electrochemical tests results indicated that constant potential activation procedure at 0.6 V for 6 h is an effective and fast method compared to constant current and USFCC activation protocols. For all studied procedures, the values of ohmic, charge and mass resistances were decreased during the activation process. The more detailed performance investigation of the MEA activated by USFCC activation procedure indicated that the order of oxygen reduction reaction and normalized current density at 0.9 V are 0.8 and 0.4 mA cm -2 , respectively. The absolute values of these parameters are consistent with the ones reported in literature related to other MEAs. The effect of mentioned MEA activation procedures on the final MEA performance and EIS response was studied under different operation conditions. MEA conditioning procedure had an irreversible effect on the MEA interfacial properties which could not be corrected even in wide range of operational conditions. MEA activation by constant low current density was not an effective procedure compared to constant voltage (0.6 V) and USFCC activation protocol to reach to the maximum performance of MEA even for a long time of activating, and under different operation conditions. Maximum power density of MEA activated by constant current 0.25 A cm -2 was 20% lower than that of other MEAs at cell temperature of 75 o C, pressure of 34 kPa and cathode relative humidity of 30%. The effect of operation condition of MEA activation procedure on the MEA performance was investigated. Results indicated that MEA activation at the high temperature and pressure reduces the time of activation at least 30%. MEA activation did not fully occur at the high temperature and pressure operation condition and the activation procedure could not bring the MEA to its highest and stabilized performance at the steady-state condition. In the last part of this project, ultrasonic bath cleaning technique was successfully applied for the pre-treatment of the gas diffusion electrode before membrane-electrode assembly. The results indicated that ultrasonic bath pre-treatment significantly improves MEA performance in all current density regions at different operation conditions. This pre-treatment technique also reduced the time of the MEA on-line activation procedure.
در این رساله به بررسی روش های فعالسازی MEA در پیل سوختی پلیمری پرداخته شد تا بتوان درک بهتری از مکانیسم فعالسازی MEA بدست آورد و براساس آن روش های فعالسازی سریع تر و مؤثرتری در بهبود عملکرد پیل ارائه نمود. در بررسی روش های فعالسازی MEA بعد از مونتاژ پیل، اثر سه روش فعالسازی متداول (روش ولتاژ ثابتV 6/0، جریان ثابتA cm -2 25/0 و روش ارائه شده توسط انجمن پیل سوختی امریکا (USFCC)) بر عملکرد MEA در طول دوره فعالسازی و بعد از آن در شرایط عملیاتی واقعی پیل سوختی پلیمری مورد مقایسه قرار گرفت و از میان آن ها با توجه به ساختار MEA بهترین روش از لحاظ سریع و مؤثر بودن روش ولتاژ ثابت V 6/0 به مدت 6 ساعت معرفی گردید. نتایج حاصل از آزمایشات الکتروشیمیایی در طول دوره فعالسازی نشان دادند در هر سه فرایند فعالسازی مورد نظر با گذشت زمان مقدار مقاومت اهمی غشاء و محدودیت در انتقال جرم گونه ها به سطح کاتالیست کاهش می یابد و همچنین فعالیت کاتالیست با گذشت زمان بهبود می یابد. با بررسی اثر تغییر غلظت واکنشگر بر عملکرد MEA فعال شده، مرتبه واکنش کاهش اکسیژن، 8/0، و دانسیته جریان نرمال شده نسبت به فشار اتمسفر در ولتاژ V 9/0، mA cm -2 Pt 4/0 محاسبه شد که با نتایج ارائه شده در مقالات مطابقت دارد. بعد از مرحله فعالسازی، عملکرد سه MEA فعال شده در شرایط عملیاتی مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان دادند روش فعالسازی MEA اثر برگشت ناپذیری بر خصوصیات بین سطحی MEA می گذارد که حتی در محدوده وسیعی از شرایط عملیاتی قابل جبران نمی باشد. فعالسازی MEA به روش A cm -2 25/0 نسبت به دو روش دیگر در کسب بهترین عملکرد، روش مؤثری نیست. حتی اگر زمان طولانی صرف فعالسازی آن گردد (حدود 14 ساعت) و یا اگر MEA فعال شده به این روش در شرایط مختلف عملیاتی قرار بگیرد باز هم عملکرد ضعیفی را نشان می دهد. ماکزیمم دانسیته توان تولیدی آن در دمای o C 75 ، فشار kPa 34 و رطوبت نسبی گاز کاتدی 30 % ، در حدود 20 % کمتر از دو MEA دیگر می باشد. از آنجایی که شرایط عملیاتی حاکم بر پیل بر عملکرد آن مؤثر است اثر تغییر در شرایط عملیاتی مرحله فعالسازی بر مدت زمان فعالسازی و عملکرد MEA در طول دوره فعالسازی و پس از آن نیز بررسی شد. نتایج نشان داد فعالسازی MEA در شرایط عملیاتی دما و فشار کم اگرچه نیاز به صرف زمان بیشتری (حدود 30%) دارد ولی فعالسازی MEA کامل تر صورت می گیرد به طوری که بعد از فعالسازی با تغییر شرایط عملیاتی، MEA عملکرد بهتری را نشان می دهد. در بخش انتهایی رساله روش جدیدی در فعالسازی MEA قبل از مونتاژ پیل سوختی پلیمری ارائه شده است که این روش براساس فرآوری الکترود توسط امواج فراصوت است. نتایج نشان داد فرآوری الکترودها در حمام فراصوت سبب کاهش مدت دوره فعالسازی MEA به روش ولتاژ ثایت V 6/0 و همچنین بهبود عملکرد MEA در شرایط عملیاتی مختلف می گردد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی