أثر الضغط والحرارة على أداء خلايا الوقود The effect of pressure and temperature on fuel cell performance

تتأثر خلايا الوقود عامة بشكل كبير بظروف التشغيل المحيطة مثل الضغط pressure ودرجة الحرارة temperature ونسبة الرطوبة في الجو relative humidity .حتى نستطيع الوصول الى حالة التشغيل الأفضل والأقرب للمثالية لابد ان ندرس تأثير هذه العوامل على أداء الخلية الوقودية.علماً أن اثر هذه العوامل لازال قيد الدراسة والمناقشه ويتم حاليا العديد من هذه التجارب للوصول إلى الأداء الأفضل.

في دراسة اجراها معهد خلايا الوقود في فانكوفر, كندا على خلية غشاء التبادل البروتوني proton exchange membrane fuel cell EMFC ذات مساحة فعالة بحدود 46 cm² عند درجة حرارة 70C^o ونسبة رطوبة 100% وعند ضغط متغير من 1 الى 3 ضغط جوي atm.حيث تم تغذية الخلية بهيدروجين نقي وهواء عبر نظام تحكم بالتدفق .كانت النتائج كما هي موضحة بالشكل التالي نلاحظ ان آداء خلية الوقود يتحسن بزيادة الضغط ويظهر ايضا ان توتر الدارة المفتوحة open circuit voltage OCV لخلية الوقود يرتفع بزيادة الضغط ومن هنا يمكن استنتاج ان زيادة الضغط جيدة لأداء خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني مع ان بعض الدراسات اوضحت ان زيادة الضغط تزيد من نسبة عبور الهيدروجين وبالتالي تؤثر سلبا على آداء الخلية لكن الاثر الأيجابي لزيادة التوتر على توتر الدارة المفتوحة وعلى الطاقة الحركية للتفاعل يطغى على هذا الاثر السلبي البسيط ويؤدي الى تحسين عام في الأداء.

في دراسة أجرتها جامعة Chiang Mai عن أثر الحرارة على على أداء خلية الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني PEMFC’s في جو رطب حصلت على منحنيات العمل التالية :أظهرت النتائج ان آداء خلية الوقود PEM المختبرة ذات مساحة سطح 50cm² يتحسن بارتفاع درجة الحرارة ,يمكن تفسير هذا أنه عند ازدياد درجة الحرارة تزداد الطاقة الحركية للجزيئات وبالتالي تزداد ايضا سرعة التفاعلات الكيميائية داخل الخلية مما يحسن من آدائها. بالإضافة الى ان مقاومة الخلية الكهربائية (التسلسلية) تنخفض بازدياد درجة الحرارة مما يزيد ايضا من الطاقة المولدة.

لكن لابد من الأخذ بعين الاعتبار انه عند ارتفاع درجة الحرارة الى قيمة عالية جدا اعلى من القيمة الحدية التي تتحملها الخلية يمكن ان تؤدي لجفاف غشاء خلية الوقود وتبخر المياه فيه ,مما يؤدي الى زيادة كبيرة بمقاومة الغشاء لتوصيل البرتونات وبالتالي الى الحصول على نتائج عكسية.جميع خلايا الوقود تقريبا تعطي آداء افضل عند الضغط العالي وعند درجات الحرارة العالية لانها تحفز التفاعلات الكيميائية فيها. مع الأخذ بعين الاعتبار ان لكل نوع من أنواع خلايا الوقود له درجة حرارة تشغيل معينة وضغط معين تعمل عنده الجدول التالي يوضح اهم انواع خلايا الوقود ويلخص مميزاتها ودرجة حرارة عملها.

المراجع:

1. Effect of Operating Backpressure on PEM Fuel Cell Performance _ J. L. Zhang, H. Li, J. J. Zhang _2008

2. Scaleup Effect on Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cell _ Hong Leelasupakorn, Amaraporn Kaewchada, Watcharapon Traisantikul, Withawin Tiengtrakarnsuk, Sunun Limtrakul, and Terdthai Vatanatham _ 2007