بهینه‌سازی خواص و ساخت صفحات دوقطبی کامپوزیتی پیل‌های سوختی پلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 استادیار دانشگاه مالک اشتر، پژوهشکده علوم و فناوری دفاعی شمال

3 پژوهشگر پیل سوختی، دانشگاه مالک اشتر

چکیده

در این پژوهش، ساخت صفحات دوقطبی کامپوزیتی پلیمر/گرافیتی به روش قالب‌گیری داغ فشاری، به منظور استفاده در پیل‌های سوختی غشا‌پلیمری و بهینه‌سازی خواص به کمک طراحی آزمایش با استفاده از نرم‌افزار مینی‌تب مورد بررسی قرار گرفت. خواص فیزیکی، مکانیکی و الکتریکیِ صفحات دوقطبی‌کامپوزیتی ساخته‌شده با انجام آزمون‌های جذب‌آب، محاسبه چگالی، آزمون استحکام خمشی، مقاومت تماسی و رسانای الکتریکی مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت‌های انجام گرفته در طول این پژوهش حاکی از آن است که در صورت طراحی مناسب قالب، تأمین دستگاه پرس گرم مناسب و رسیدن به دمای یکنواخت در سطوح قالب، تولید و ساخت صفحات دوقطبی با ضخامت کم و با کیفیت سطوح بسیار بالا توسط ترکیب کامپوزیتی پودری امکان‌پذیر است. پارامترهای فشار و زمان پخت به عنوان پارامترهای ورودی بهینه‌سازی در نظر گرفته شد و هدف بهینه‌سازی استحکام خمشی و مقاومت تماسی برای دستیابی به هدف‌گذاری سال 2020 دپارتمان انرژی آمریکا برای صفحات دوقطبی پیل‌های سوختی پلیمری است. نتایج بهینه‌سازی فشار 79/499 مگاپاسکال و زمان پخت 70 ثانیه را نشان می‌دهد که نمونه 12 به این حالت بهینه نزدیک بوده و پارامترهای استحکام خمشی و مقاومت تماسی آن به ترتیب53/91 مگاپاسکال و 10/57 میلی‌اهم در سانتی‌متر مربع می‌باشد. همچنین میزان جذب آب و رسانایی الکتریکی در راستای ضخامت به ترتیب 0/36 درصد و 27/22 زیمنس بر متر می‌باشد که مطابق با هدف‌گذاری دپارتمان انرژی آمریکا می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Optimization of Characteristics and Construction of Composite Bipolar Plates of Polymer Fuel Cells

نویسندگان [English]

  • Matin Mohammadzadeh 1
  • Mojtaba Ghadimi 2
  • mohammad momenifar 3
1 department of mechanical engineering,, Amirkabir University of Technology
2 Malek Ashtar University of Technology, Fuel Cell Technology Research Laboratory, Tehran, Iran
3 Department of mechanical engineering, Malek Ashtar university of technology, Iran
چکیده [English]

This study investigates the construction of polymer/graphic composite bipolar plates via hot compression molding for use in polymer fuel cells and the optimization of characteristics by experimental test design. For this purpose, the Minitab software is used. Besides, this study examined the physical, mechanical, and electrical characteristics of the constructed bipolar plates by performing the tests of water absorption, calculation of density, the test bending strength, interfacial contact resistance, and electrical conductance. The pressure and the curing time were considered as the input parameters of the optimization, and the goal is to optimize the flexural strength and interfacial contact resistance to achieve the United States Department of Energy's 2020 target for the bipolar plates of polymer fuel cells. The results show that with a pressure of 79.499 MPa and the curing time under pressure was 70s, the parameters of flexural strength and optimum interfacial contact resistance are 53.91 MPa and 10.57 mΩ.cm2, respectively. The properties also include water absorption and electrical conductivity in the through-plane direction of 0.36 percent and 27.22 (S/m) respectively, which is in line with the goals of the United States Department of Energy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Compression molding
  • Polymer fuel cell
  • Composite bipolar plates
  • Optimization

مراجع

[1] S.J. Peighambardoust, S. Rowshanzamir, M. Amjadi, Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications, International journal of hydrogen energy, 35(17) (2010) 9349-9384.
[2] H. Wang, M.A. Sweikart, J.A. Turner, Stainless steel as bipolar plate material for polymer electrolyte membrane fuel cells, Journal of Power Sources, 115(2) (2003) 243-251.
[3] Y. Hung, H. Tawfik, D. Mahajan, Durability and characterization studies of polymer electrolyte membrane fuel cell’s coated aluminum bipolar plates and membrane electrode assembly, Journal of Power Sources, 186(1) (2009) 123-127.
[4] S. Simaafrookhteh, M. Khorshidian, M. Momenifar, Fabrication of multi-filler thermoset-based composite bipolar plates for PEMFCs applications: Molding defects and properties characterizations, International Journal of Hydrogen Energy, 45(27) (2020) 14119-14132.
[5] M. Jain, M.K. Pradhan, Morphology and mechanical properties of sisal fiber and nano cellulose green rubber composite: A comparative study, International Journal of Plastics Technology, 20(2) (2016) 378-400.
[6] Y. Rostamiyan, A. Fereidoon, M. Rezaeiashtiyani, A.H. Mashhadzadeh, A. Salmankhani, Experimental and optimizing flexural strength of epoxy-based nanocomposite: effect of using nano silica and nano clay by using response surface design methodology, Materials & Design, 69 (2015) 96-104.
[7] J. Hu, 3-D fibrous assemblies: Properties, applications and modelling of three-dimensional textile structures, Elsevier, 2008.
[8] N. Shaari, D. Kuppusamy, N.S. Shaari, N. Sapiai, M. Adnan, Effects of Silane Treatment on the Impact and Tensile Properties of Textile Waste Fiber Polymer Composite, Manufacturing and Materials Towards Industry 4.0,  (2021) 687-698.
[9] I. Astm, Standard test method for water absorption of plastics, ASTM D570-98,  (2010).
[10] I. Astm, Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials, ASTM D790-07,  (2007).
[11] S. Astm, Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. ASTM D790, Annual book of ASTM Standards,  (1997).
[12] B.E. Allen, Characterization of reclaimed carbon fibers and their integration into new thermoset polymer matrices via existing composite fabrication techniques, North Carolina State University, 2008.
[13] N.A.M. Radzuan, A.B. Sulong, M.R. Somalu, A.T. Abdullah, T. Husaini, R.E. Rosli, E.H. Majlan, M.I. Rosli, Fibre orientation effect on polypropylene/milled carbon fiber composites in the presence of carbon nanotubes or graphene as a secondary filler: Application on PEM fuel cell bipolar plate, international journal of hydrogen energy, 44(58) (2019) 30618-30626.
[14] B. Avasarala, P. Haldar, Effect of surface roughness of composite bipolar plates on the contact resistance of a proton exchange membrane fuel cell, Journal of Power Sources, 188(1) (2009) 225-229.
[15] P.J. Hamilton, B.G. Pollet, Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) flow field plate: design, materials and characterisation, Fuel cells, 10(4) (2010) 489-509.
[16] E.L. Miller, S.T. Thompson, K. Randolph, Z. Hulvey, N. Rustagi, S. Satyapal, US Department of Energy hydrogen and fuel cell technologies perspectives, MRS Bulletin, 45(1) (2020) 57-64.
[17] R.B. Mathur, S.R. Dhakate, D.K. Gupta, T.L. Dhami, R.K. Aggarwal, Effect of different carbon fillers on the properties of graphite composite bipolar plate, Journal of Materials Processing Technology, 203(1-3) (2008) 184-192.
[18] P.H. Maheshwari, R.B. Mathur, T.L. Dhami, Fabrication of high strength and a low weight composite bipolar plate for fuel cell applications, Journal of Power Sources, 173(1) (2007) 394-403.
[19] J. Norley, Graphite–Based Bipolar Plates for PEM Motive Fuel Cell Applications, in.
[20] W. Chen, Y. Liu, Q. Xin, Evaluation of a compression molded composite bipolar plate for direct methanol fuel cell, International journal of hydrogen energy, 35(8) (2010) 3783-3788.
[21] R. Taherian, M.J. Hadianfard, A.N. Golikand, Manufacture of a polymer-based carbon nanocomposite as bipolar plate of proton exchange membrane fuel cells, Materials & Design, 49 (2013) 242-251.
[22] P. Liang, D. Qiu, L. Peng, P. Yi, X. Lai, J. Ni, Contact resistance prediction of proton exchange membrane fuel cell considering fabrication characteristics of metallic bipolar plates, Energy Conversion and Management, 169 (2018) 334-344.
[23] S. Lædre, O.E. Kongstein, A. Oedegaard, F. Seland, H. Karoliussen, Measuring in situ interfacial contact resistance in a proton exchange membrane fuel cell, Journal of The Electrochemical Society, 166(13) (2019) F853.
[24] A. Vikram, P.R. Chowdhury, R.K. Phillips, M. Hoorfar, Measurement of effective bulk and contact resistance of gas diffusion layer under inhomogeneous compression–Part I: Electrical conductivity, Journal of Power Sources, 320 (2016) 274-285.
[25] M. Mohammadzadeh Rad, S. Saber-Samandari, M. Sadighi, L. Tayebi, M. Mohammadi Aghdam, A. Khandan, Macro-and micromechanical modelling of HA-Elastin scaffold fabricated using freeze drying technique, Journal of Nanoanalysis, 8(1) (2021) 17-31.
[26] M.K. Mohammed, A.I. Al-Hadithi, M.H. Mohammed, Production and optimization of eco-efficient self compacting concrete SCC with limestone and PET, Construction and Building Materials, 197 (2019) 734-746.
[27] N. Li, H.B. Liu, H.T. Wu, The deformation analysis and optimization of the injection molded parts based on the moldflow and minitab software, Advanced Materials Research, 753 (2013) 1180-1183.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 6
شهریور 1401
صفحه 1373-1390

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار