Abstract
Polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) have emerged as portable power source for future transportation and home based systems. Over the past years perfluorosulfonated cation exchange membranes have been used as solid polymer electrolyte in fuel cells, however, humidity control and water management have remained major issues in the area of stack development. Local drying that results in the changes in the local conductivity behavior and physical failure of themembraneis one of the key issues to be addressed in detail. It is therefore necessary to estimate these changes precisely to evaluate the membrane behavior during the fuel cell operation. Positron annihilation spectroscopy offers a very sensitive probe to the determination of polymer free-volume as well as electronic state of the polymer. In the present study we studied Nafion 117 with varying temperature and humidity using positron annihilation spectroscopy. The ortho-positronium lifetime (o-Ps, i.e., _3) which gives the size of the free-volume holes inside the polymer was determined. It was found that the o-Ps lifetime increases for relative humidity between 40% and 60% and thereafter it decreases in the temperature range of 62–95 ◦C. When the inversion point at which the o-Ps lifetime is the maximum was plotted with actual vapor pressure, it was observed that it has a logarithmic behavior with the ordinate intercept of 1 ns. This indicates that at higher temperature the membrane has larger free-volume holes; and also at higher temperature a larger vapor pressure is essential to saturate the membrane. Above this point the clusters expand and the free-volume hole size decreases. This also indicates the optimum vapor in the cell to be maintained during the fuel cell operation. The studies also indicated that there is a correlation between o-Ps lifetime and the hydrogen crossover current density under the similar temperature and humidity condition
چکیده
پیل های سوختی الکترولیت پلیمری (PEMFC) به عنوان منبع انرژی قابل حمل و استفاده در سیستم های خانگی در آینده ظهور کرده اند. در طول سالهای گذشته غشای تبادل کاتیونی پرفلوروسولفوناتی به عنوان الکترولیت پلیمری جامد در پیل های سوختی مورد استفاده قرار گرفته است، با این حال، کنترل رطوبت و مدیریت آب، از جمله مسایل مهم باقی مانده در توسعه ی این حوزه می باشند. خشک کردن محلی که منجر به تغییرات در رفتار رسانایی محلی و شکست فیزیکی غشا می گردد، یکی از مسائل کلیدی است که بایستی با جزئیات شرح داده شود. از این رو لازم و ضروری است که به دقت این تغییرات را برای ارزیابی رفتار غشا در حین عملکرد پیل سوختی، تخمین زده و پیش بینی نماییم. طیف سنجی نابودی پوزیترون یک پروب بسیار حساس برای تعیین حجم آزاد پلیمر بعلاوه حالت الکتریکی پلیمر دارد. در تحقیق حاضر، ما بر روی نافیون 117 با دمای و رطوبت متغیر با استفاده از طیف سنجی نابودی پوزیترونمطالعه نموده ایم. طول عمر اورتو پوزیترونیوم ( o-Psبه عنوان مثال ζ3 ) که اندازه ی حجم آزاد سوراخ های درون پلیمر را می دهد، تعیین شده است. دریافتیم که طول عمر o-Ps برای رطوبت بین 40% تا 60% افزایش یافته و در محدوده ی دمایی 62- 95 درجه ی سانتیگراد کاهش می یابد. هنگامی که نقطه ی وارونگی که در آن طول عمر o-Ps ماکزیموم است، با فشار واقعی بخار کشیده می شود، مشاهده می شود که رفتاری لگاریتمی با عرض ار مبدا 1 نانو ثانیه دارد. این نشان می دهد که در دماهای بالاتر، غشا، سوراخ های حجم آزاد بزرگتری دارد و همچنین در دماهای بالاتر، فشار بخار بزرگتری برای به اشباع رساندن غشا مورد نیاز است. در بالای این نقطه، خوشه ها گسترش یافته واندازه ی سوراخ های حجم ازاد کاهش می یابد. این امر همچنین این نکته را بیان می کند که بخار بهینه در پیل سوختی بایستی در حین عملکرد پیل، حفظ شود. این مطالعات همچنین نشانگر این می باشند که رابطه ای بین طول عمر o-Ps و هیدروژن بر حسب چگالی جریان معبر تحت شرایط دمایی و رطوبتی مشابه وجود دارد.
1-مقدمه
پیل های سوختی الکتولیت پلیمری (PEMFC) به عنوان منبع انرژی قابل حمل برای کاربرد های متنوعی همچون حمل و نقل و تامین توان خانگی مورد استفاده قرار می گیرند. غشاهای پرفلوروسولفوناتی، به عنوان الکترولیت پلیمری جامد (SPE) مورد استفاده قرار گرفته اند. پروتون (H3O+) که از این غشا عبور می کند، به شدت توسط مقدار آب، تحت تاثیر قرار گرفته و بازتاب آن در افزایش مقاومت با خشکی غشا مشاهده می شود. از این رو، مقدار آب در غشا، برای انتقال پروتون امری بسیار مهم می باشد[1-2]. از این رو، کنترل رطوبت و مدیریت آب مسائل عمده ی باقی مانده در پیشرفت پیل های سوختی می باشند. تحقیقات گسترده ای جهت بهبود روش های رطوبت دهی صورت پذیرفته است [3-5]. کنترل دقیق رطوبت با دما در کانال های سیال، مسئله ی کلیدی بوده و از نقطه نظر مهندسی مورد بررسی قرار گرفته است...