توسعه مواد متخلخل فلزی جهت کاربرد در پیل سوختی

به دلیل محدود بودن منابع تامین سوخت فسیلی و نیز مشکلاتی از قبیل آلایندگی محیط زیست، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در چند سال اخیر گسترش روزافزونی یافته است. در این بین پیل سوختی پلیمری به عنوان یک منبع تامین انرژی نسبتا ارزان و پاک در کاربردهای حمل و نقل مورد توجه محققین زیادی قرار گرفته است. یک پیل سوختی پلیمری از اجزای متفاوتی تشکیل شده که یکی از اجزای مهم آن، صفحات دوقطبی می باشد و عمدتا از صفحات شیاردار گرافیتی ساخته می شوند. این صفحات، ترد وشکننده بوده و معمولا حدود 80 درصد از وزن کل و 45 درصد از هزینه تمام شده پیل را به خود اختصاص می دهند که لزوم بهینه سازی طراحی و مواد به کاررفته در این جزء را نشان می دهد. از اینرو در سال های اخیر مواد متخلخل فلزی موسوم به فوم فلزی به عنوان جایگزین مناسبی برای این صفحات پیشنهاد شده است. بر این اساس اهداف اصلی پژوهش حاضر عبارتند از: (1) توسعه طراحی ماده متخلخل فلزی با استفاده از شبیه سازی عددی، (2) انتخاب فرایند ساخت و مشخصه یابی آن به منظور جایگزینی صفحات دوقطبی مرسوم در پیل های سوختی پلیمری. در این تحقیق بررسی دو پارامتر درصد تخلخل و اندازه حفرات بر روی پارامتر نفوذپذیری به عنوان مهم ترین خاصیت مواد متخلخل در قابلیت عبور جریان سیال مدنظر قرار گرفت. لذا در قدم اول اثر پارامترهای مذکور بر نفوذپذیری محیط متخلخل بازسازی شده سه بعدی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیه سازی عددی به کمک روش شبکه بلتزمن به ترتیب نشان از رابطه اکسپونانسیلی پارامتر نفوذپذیری با درصد تخلخل و نیز رابطه توانی آن با اندازه حفرات دارد. همچنین نتایج حاصل از شبیه سازی می تواند به خوبی رابطه تغییرات گرادیان فشاری را بر حسب سرعت ظاهری جریان سیال در هر محیط متخلخل پیش بینی کند. در قدم بعدی با انتخاب فرایند سینترینگ توام با حذف کربنات (lcs) و بهینه سازی برخی پارامترهای آن، ماده متخلخل از جنس مس برای کاربرد موردنظر تولید گردید. نتایج حاصل از آنالیز فازی و نیز بررسی های ریزساختاری فوم تولیدی، نشان از قابلیت بالای فرایند lcs در تولید ماده متخلخل با خواصی از قبیل درصد تخلخل و اندازه حفرات پیش بینی شده در طراحی را دارد. در ادامه خواص مکانیکی فوم تولیدی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. نتایج نشان از افزایش استحکام خمشی نمونه متخلخل با افزایش چگالی نسبی و نیز کاهش اندازه حفرات دارد. همچنین مطالعه خواص نفوذپذیری، حاکی از نفوذپذیری مناسب، کمتر از m28-10، مواد متخلخل تولیدی به روش lcs جهت کاربرد در پیل سوختی پلیمری می باشد. بر این اساس نمونه فومی با درصد تخلخل حدود 60 درصد و اندازه حفرات حدود 400 میکرون معادل ppi65 به عنوان ماده مناسب جهت جایگزینی صفحات دوقطبی مرسوم در نظر گرفته شد.