Τηε δεσιγν οφ α πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ ΠΕΦΧ σταχκ ρεθυιρεσ χαρεφυλ χονσιδερατιον οφτηε τηερµαλ, ωατερ, ανδ γασ µαναγεµεντ το ενσυρε ηιγη σταχκ περφορµανχε.. Τηε σεχονδ οβϕεχτιϖε χ
Trang 1ΜΟ∆ΕΛΙΝΓ ΟΦ ΤΡΑΝΣΠΟΡΤ ΠΗΕΝΟΜΕΝΑ ΙΝ ΠΟΛΨΜΕΡ ΕΛΕΧΤΡΟΛΨΤΕ ΦΥΕΛ ΧΕΛΛ ΣΤΑΧΚΣ: ΤΗΕΡΜΑΛ, ΩΑΤΕΡ, ΑΝ∆ ΓΑΣ ΜΑΝΑΓΕΜΕΝΤ
Trang 2Φιρστ οφ αλλ, Ι ωουλδ λικε το εξπρεσσ µψ σινχερε γρατιτυδε ανδ αππρεχιατιον το µψ συπερϖισορ,Προφ Αρυν Σ Μυϕυµδαρ, φορ ηισ γυιδανχε, ενλιγητενµεντ ανδ φεεδβαχκ περταινινγ το τηισρεσεαρχη Ιτ ισ τρυλψ αν ηονουρ το βε ηισ στυδεντ ασ ηε ισ α γρεατ σχιεντιστ, ενγινεερ, ανδ αρτιστ
Ι ωουλδ αλσο λικε το εξπρεσσ µψ προφουνδ γρατιτυδε το µψ χο−συπερϖισορ, Ασστ Προφ ΚαρλΕρικ Βιργερσσον, φορ ηισ αχτιϖε συπερϖισιον βψ γιϖινγ ϖερψ ϖαλυαβλε φεεδ βαχκ ανδ συγγεστιον,ανδ ηισ πατιεντ γυιδανχε δυρινγ ρεσεαρχη ανδ παπερ ωορκσ Ι αµ αλσο γρατεφυλ το α νυµβερ
οφ χολλεαγυεσ, συχη ασ ∆ρ Ρινα Λυµ Καη Ωαι, Μρ Λψ Χαµ Ηυνγ, ανδ ∆ρ Ποη Ηεε ϑοοφορ µανψ φρυιτφυλ δισχυσσιονσ ανδ ηελπφυλ συγγεστιονσ
Ι ωουλδ λικε το εξτενδ µψ γρατιτυδε το αλλ φριενδσ ιν Προφ Μυϕυµδαρσ ΤρανσπορτΠροχεσσεσ Ρεσεαρχη (ΤΠΡ) γρουπ ανδ Προφ Βιργερσσονσ ρεσεαρχη γρουπ: Ι αµ γοινγ τοµισσ ουρ γρουπ µεετινγσ ανδ δισχυσσιονσ Ι αλσο ωουλδ λικε το τηανκ το µψ χλοσε φριενδσ:ϑυνδικα Χανδρα Κυρνια, Τοβιασ Βεσταρι Τϕανδρα, Ανδρεασ Λο, Τανδιονο, ανδ Φιλιαν Αρ−βιψανι Σπεχιαλ τηανκσ φροµ τηε δεπτη οφ µψ ηεαρτ το Νιτα Σολεηατι Σηε ηασ βεεν πατιεντλψωαιτινγ, συππορτινγ ανδ χηεερινγ µε υπ δυρινγ τηε στυδψ, εϖεν τηουγη ωε ωερε ιν α λονγ δισ−τανχε ρελατιονσηιπ Φιναλλψ, Ι ωουλδ λικε το εξπρεσσ µψ λοϖε ανδ αππρεχιατιον το µψ παρεντσ,βροτηερ, σιστερσ ανδ ρελατιϖεσ φορ τηειρ συππορτ τηρουγηουτ µψ στυδψ
Τηισ ρεσεαρχη ωασ συππορτεδ βψ τηε Νατιοναλ Υνιϖερσιτψ οφ Σινγαπορε ανδ ΑΣΕΑΝ Υνιϖερ−σιτψ Νετωορκ Σουτη−Εαστ Ασια Ενγινεερινγ Εδυχατιον ∆εϖελοπµεντ Νετωορκ (ΑΥΝ/ΣΕΕ∆−Νετ)
i
Trang 31.1 Βαχκγρουνδ 1
1.2 Φυελ χελλσ 2
1.3 Χυρρεντ στατυσ οφ φυελ χελλ τεχηνολογψ 4
1.4 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ 8
1.4.1 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ: σινγλε χελλ 8
1.4.2 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ: σταχκ 13
1.4.3 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ: σψστεµ 13
1.4.4 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ περφορµανχε 13
1.5 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ ισσυεσ 16
1.6 Οβϕεχτιϖε 18
1.7 Ουτλινε οφ τηεσισ 19
2 Λιτερατυρε Ρεϖιεω 20 2.1 ΠΕΦΧ µοδελινγ: σινγλε χελλ 20
2.2 ΠΕΦΧ µοδελινγ: σταχκ 28
2.3 ΠΕΦΧ µοδελινγ: οπεν−χατηοδε 32
2.4 ΠΕΦΧ µοδελινγ: δεαδ−ενδ ανοδε 34
3 Βασιχ Χονχεπτσ 36 3.1 Μοδελ φορµυλατιον 37
ϖ
ii
Trang 4Χοντεντσ ϖι
3.1.1 Γοϖερνινγ εθυατιονσ 37
3.1.2 Χονστιτυτιϖε ρελατιονσ 42
3.1.3 Πηενοµενολογιχαλ µεµβρανε µοδελ 46
3.1.4 Ελεχτροχηεµιστρψ & Αγγλοµερατε µοδελ 48
3.1.5 Βουνδαρψ χονδιτιονσ 52
3.2 Νυµεριχαλ µετηοδολογψ 54
3.2.1 Φινιτε ϖολυµε µετηοδ 55
4 Λιθυιδ χοολινγ φορ ΠΕΦΧ σταχκσ 59 4.1 Ιντροδυχτιον 59
4.2 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 62
4.3 Νυµεριχσ 66
4.4 Ρεσυλτσ ανδ ∆ισχυσσιον 67
4.4.1 ςαλιδατιον 67
4.4.2 Πλαχεµεντ οφ χοολαντ πλατεσ ιν τηε σταχκ 71
4.4.3 Χοολαντ ωατερ τεµπερατυρε 76
4.4.4 Χοολαντ ινλετ ϖελοχιτψ 77
5 Φορχεδ αιρ−χονϖεχτιον ιν οπεν−χατηοδε ΠΕΦΧ σταχκσ 80 5.1 Ιντροδυχτιον 80
5.2 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 83
5.2.1 Φυελ χελλ σταχκ 84
5.2.2 Φαν 87
5.2.3 Αµβιεντ 88
5.3 Νυµεριχσ 89
5.4 Ρεσυλτσ ανδ ∆ισχυσσιον 91
5.4.1 Φαν ανδ σψστεµ χηαραχτεριστιχ βεηαϖιορ 93
5.4.2 Φαν πλαχεµεντ 94
iii
Trang 5Χοντεντσ ϖιι
5.4.3 Φαν ποωερ 95
5.4.4 Χατηοδε οω− ελδ ηειγητ 97
6 Φαν σελεχτιον ανδ σταχκ δεσιγν φορ οπεν−χατηοδε ΠΕΦΧ σταχκσ 102 6.1 Ιντροδυχτιον 102
6.2 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 104
6.3 Νυµεριχσ 107
6.4 Ρεσυλτσ ανδ ∆ισχυσσιον 107
6.4.1 Φαν ποωερ ρατινγ 109
6.4.2 Φανσ ιν σεριεσ 112
6.4.3 Χατηοδε οω ελδ δεσιγν 112
6.4.4 Σταχκ λενγτη 113
6.4.5 Σεπαρατε χοολαντ οω χηαννελσ 114
6.4.6 Οπερατινγ ϖολταγε 116
6.4.7 ΣΧΧ: δεταιλεδ ϖσ σιµπλε οω µοδελ 117
7 Φλοω ρεϖερσαλ χοολινγ 120 7.1 Ιντροδυχτιον 120
7.2 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 122
7.3 Νυµεριχσ 125
7.4 Ρεσυλτσ ανδ δισχυσσιον 125
7.4.1 Τηερµαλ µαναγεµεντ 126
7.4.2 Ωατερ µαναγεµεντ 129
7.4.3 Σταχκ περφορµανχε 129
7.4.4 Ε⁄εχτ οφ οω ρεϖερσαλ φρεθυενχψ 132
8 ςαριουσ τηερµαλ µαναγεµεντ στρατεγιεσ 134 8.1 Ιντροδυχτιον 134
8.2 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 138
iv
Trang 6Χοντεντσ ϖιιι
8.3 Νυµεριχσ 140
8.4 Ρεσυλτσ ανδ δισχυσσιον 141
8.4.1 Χασε (ι): λιθυιδ χοολινγ σταχκ 141
8.4.2 Χασε (ιι): αιρ−χοολινγ σταχκ 144
8.4.3 Χασε (ιιι): εδγε χοολινγ σταχκ 146
8.4.4 Χασε (ιϖ) ανδ (ϖ): οπεν−χατηοδε σταχκ 149
8.4.5 Χοµπαρισον οφ ϖαριουσ χοολινγ στρατεγιεσ 152
9 ∆εαδ−ενδ ανοδε ΠΕΦΧ 155 9.1 Ιντροδυχτιον 155
9.2 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 158
9.3 Νυµεριχσ 158
9.4 Ρεσυλτσ ανδ ∆ισχυσσιον 161
9.4.1 Οπεν−ενδ µοδε ανοδε 161
9.4.2 ∆εαδ−ενδ µοδε ανοδε: γαλϖανοστατιχ βουνδαρψ 162
9.4.3 ∆εαδ−ενδ µοδε ανοδε: ποτεντιοστατιχ βουνδαρψ 165
9.4.4 Ανοδε οπερατινγ πρεσσυρε 167
9.4.5 Ανοδε ηυµιδι χατιον 169
9.4.6 Πυργε φρεθυενχψ 172
9.4.7 Πυργε δυρατιον 174
v
Trang 7Τηε δεσιγν οφ α πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ (ΠΕΦΧ) σταχκ ρεθυιρεσ χαρεφυλ χονσιδερατιον οφτηε τηερµαλ, ωατερ, ανδ γασ µαναγεµεντ το ενσυρε ηιγη σταχκ περφορµανχε Τηισ ρεσεαρχηαιµσ το δεϖελοπ α µατηεµατιχαλ ανδ νυµεριχαλ φραµεωορκ φορ ΠΕΦΧ σταχκσ τηατ σερϖεσ τωοµαιν οβϕεχτιϖεσ: τηε ρστ ινϖολϖεσ τηε στυδψ οφ τηε φυνδαµενταλ ασπεχτσ οφ τηε ΠΕΦΧ ανδτηε ασσοχιατεδ τρανσπορτ, ελεχτροχηεµιχαλ προχεσσεσ ανδ µυλτιπηασε οω φορ βοτη α σινγλεχελλ ανδ σταχκ Τηε σεχονδ οβϕεχτιϖε χονχερνσ τηε δεϖελοπµεντ ανδ ιντεγρατιον οφ αππλιεδρεσεαρχη φορ τηε ΠΕΦΧ σινγλε χελλ ανδ σταχκ, ινχλυδινγ νεω δεσιγνσ ανδ µαναγεµεντ ισσυεσ(τηερµαλ, γασ, ανδ ωατερ) το αχηιεϖε αν ενηανχεδ φυελ χελλ περφορµανχε
Α τωο−πηασε οω µοδελ χοµπρισινγ εθυατιονσ οφ χονσερϖατιον οφ µασσ, µοµεντυµ,σπεχιεσ, χηαργε, πηενοµενολογιχαλ µεµβρανε µοδελ ανδ αγγλοµερατε χαταλψστ λαψερ µοδελ ισδεϖελοπεδ ανδ ϖαλιδατεδ αγαινστ εξπεριµενταλ σινγλε χελλ δατα ιν τερµσ οφ γλοβαλ ανδ λοχαλχυρρεντ δενσιτιεσ Τηε µοδελ ισ τηεν εξτενδεδ το αχχουντ φορ τηε ενϖιρονµεντ ιν α φυελ χελλσταχκ Φουρ δι⁄ερεντ τηερµαλ µαναγεµεντ στρατεγιεσ τηατ αρε χοµµονλψ υσεδ ιν φυελ χελλσταχκσ, ναµελψ λιθυιδ−χοολινγ, φορχεδ αιρ−χονϖεχτιον χοολινγ, εδγε−αιρ χοολινγ, ανδ νατυραλχονϖεχτιον χοολινγ, αρε ιδεντι εδ ανδ σιµυλατεδ Τηε ρεσυλτσ συγγεστ τηατ χαρεφυλ βαλανχεηασ το βε στρυχκ βετωεεν σταχκ αππλιχατιον, περφορµανχε, χοολινγ µετηοδολογψ, χοµπλεξιτψ
οφ τηε δεσιγν, σιζε, ωειγητ ανδ χοστ Φυρτηερµορε, τηε µοδελ ισ αλσο εξτενδεδ το αχχουντ φορτρανσιεντ χηαραχτεριστιχσ οφ ΠΕΦΧ οπερατινγ ωιτη α δεαδ−ενδ ανοδε, ωηερε γασ ανδ ωατερµαναγεµεντ αρε οφ ιντερεστ Ιτ ισ σηοων τηατ περφορµανχε δετεριορατιον δυε το ηψδρογενδεπλετιον, ωατερ αχχυµυλατιον ανδ νιτρογεν χροσσοϖερ χαν βε ρεχοϖερεδ βψ φρεθυεντ ανοδεπυργινγ Ιν αδδιτιον, τηε µοδελ χαν βε υσεδ το δεϖελοπ ε⁄εχτιϖε ανδ ε′χιεντ πυργινγ στρατε−γιεσ
Φιναλλψ, ιτ ισ νοτεδ τηατ τηε τηεσισ προϖιδεσ βασιχ γυιδελινεσ φορ φυελ χελλ ενγινεερσ το δεσιγνανδ ενηανχε φυελ χελλ περφορµανχε
vi
Trang 8Τηισ τηεσισ πρεσεντσ τηε στυδψ ον τηε µοδελινγ οφ τρανσπορτ πηενοµενα ιν πολψµερ ελεχ−τρολψτε φυελ χελλ σταχκσ: τηερµαλ, ωατερ, ανδ γασ µαναγεµεντ Τηε φολλοωινγ πυβλιχατιονσ αρεβασεδ ον ρεσεαρχη χαρριεδ ουτ φορ τηισ δοχτοραλ τηεσισ
Ε−βοοκ χηαπτερ:
1 Α.Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Ματηεµατιχαλ Μοδελινγ οφ ΠΕΜ ΦυελΧελλ Σταχκσ: Τηερµαλ Μαναγεµεντ, βοοκ χηαπτερ ιν: Ματηεµατιχαλ Μοδελινγ οφ Ινδυσ−τριαλ Τρανσπορτ Προχεσσεσ, εδιτεδ βψ Π Ξυ, Ζ Ωυ ανδ Α Σ Μυϕυµδαρ, ΤΠΡ γρουπ,Σινγαπορε, 2009 (ΙΣΒΝ: 978−981−08−6269−5)
ϑουρναλ παπερσ:
1 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Χοµπυτατιοναλ Στυδψ οφ α ΠολψµερΕλεχτρολψτε Φυελ Χελλ ωιτη α ∆εαδ−Ενδ Ανοδε, το βε συβµιττεδ το ϑουρναλ οφ ΠοωερΣουρχεσ, 2011, ιν πρεπαρατιον
2 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Κ Ω Λυµ, Α Σ Μυϕυµδαρ, Φαν Σελεχτιον ανδ Σταχκ
∆εσιγν φορ Οπεν−Χατηοδε Πολψµερ Ελεχτρολψτε Φυελ Χελλ Σταχκσ, συβµιττεδ το ΡενεωαβλεΕνεργψ, 2011, υνδερ ρεϖιεω
3 Α Π Σασµιτο, Κ Ω Λυµ, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Χοµπυτατιοναλ Στυδψ οφΦορχεδ Αιρ−Χονϖεχτιον ιν Οπεν−Χατηοδε Πολψµερ Ελεχτρολψτε Φυελ Χελλσ Σταχκσ, ϑουρναλ
οφ Ποωερ Σουρχεσ, ςολ 195 (17), 5550−5563, 2010
4 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Νυµεριχαλ Ινϖεστιγατιον οφ Λιθυιδ ΩατερΧοολινγ φορ α Προτον Εξχηανγε Μεµβρανε Φυελ Χελλ Σταχκ, Ηεατ Τρανσφερ Ενγινεερινγ,ςολ 32 (2), 151−167, 2011
vii
Trang 9Ινϖιτεδ πρεσεντατιον:
1 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Φυελ Χελλ Ρεσεαρχη ανδ ∆εϖελοπµεντωιτη ΑΝΣΨΣ ΦΛΥΕΝΤ Φροµ Φυνδαµενταλσ το Αππλιχατιονσ, 8τη ΑΣΕΑΝ ΑΝΣΨΣΧονφερενχε, Σινγαπορε, 2010
Χονφερενχε παπερσ:
1 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Κ Ω Λυµ, Α Σ Μυϕυµδαρ, Νυµεριχαλ Στυδψ οφ ΝατυραλΧονϖεχτιον Αιρ Χοολινγ οφ α Πολψµερ Ελεχτρολψτε Φυελ Χελλ: Σινγλε Χελλ ανδ Σταχκ,Ρεγιοναλ Χονφερενχε ον Μεχηανιχαλ ανδ Αεροσπαχε Τεχηνολογψ, π 114, Βαλι, Ινδονεσια,2010
2 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Τρανσιεντ Αναλψσισ οφ α ΠΕΦΧ ωιτη
α ∆εαδ−Ενδ Ανοδε, 216τη Ελεχτροχηεµιχαλ Σοχιετψ Μεετινγ 2009, π Β1−320, ςιεννα,Αυστρια, 2009
3 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Αναλψσισ οφ ςαριουσ Χοολινγ Στρατεγιεσφορ α ΠΕΦΧ σταχκ, 216τη Ελεχτροχηεµιχαλ Σοχιετψ Μεετινγ 2009, π Β1−321, ςιεννα,Αυστρια, 2009
4 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Φυελ Χελλ Σταχκ: Τηερµαλ Μαναγεµεντ,Ωορκσηοπ ον Ματηεµατιχαλ Μοδελινγ ον Μινεραλσ, Μεταλσ, ανδ Ματεριαλσ Προχεσσινγ,Σινγαπορε, 2009
5 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Φραµεωορκ φορ Μοδελλινγ ανδ ∆εσιγν
οφ ΠΕΜΦΧ Σταχκσ ωιτη ΦΛΥΕΝΤ, 7τη ΑΣΕΑΝ ΑΝΣΨΣ Χονφερενχε, Σινγαπορε, 2008
6 Κ Ω Λυµ, Ε Βιργερσσον, Α Π Σασµιτο, Η ϑ Ποη, Α Σ Μυϕυµδαρ, Νυµεριχαλ Στυδψ
οφ Φορχεδ Αιρ Χονϖεχτιον φορ Πολψµερ Ελεχτρολψτε Φυελ Χελλ Σταχκσ, 213τη Ελεχτροχηεµ−ιχαλ Σοχιετψ Μεετινγ 2008, π Β8−486, Πηοενιξ Αριζονα, Υνιτεδ Στατεσ οφ Αµεριχα,2008
viii
Trang 107 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Νυµεριχαλ Ινϖεστιγατιον οφ ΠΕΜΦΧΣταχκ Χοολινγ, 6τη Ιντερνατιοναλ Χονφερενχε ον Ηεατ Τρανσφερ, Φλυιδ Μεχηανιχσ ανδΤηερµοδψναµιχσ (ΗΕΦΑΤ 2008), π ΣΑ4, Πρετορια, Σουτη Αφριχα, 2008.
8 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Ιµπλεµεντατιον ανδ ςαλιδατιον οφ αΧΦ∆ Μοδελ φορ ΠΕΜΦΧ ωιτη α Νετ−Τψπε Φλοω Φιελδ, 6τη Ιντερνατιοναλ Χονφερενχε
ον Ηεατ Τρανσφερ, Φλυιδ Μεχηανιχσ ανδ Τηερµοδψναµιχσ (ΗΕΦΑΤ 2008), π ΣΑ3,Πρετορια, Σουτη Αφριχα, 2008
9 Α Π Σασµιτο, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, Θυαντιτατιϖε Χοµπαρισον Ον τηε Εφ−φεχτ οφ Νετ−Τψπε Φλοω Γασ ∆ιστριβυτορ ον ΠΕΜΦΧ Περφορµανχε, 10τη ΑΥΝ/ΣΕΕ∆−ΝετΦιελδ Ωισε Σεµιναρ ον Μεχηανιχαλ Ενγινεερινγ − Νεω ανδ Ρενεωαβλε Ενεργψ, Βαν−δυνγ, Ινδονεσια, 2007
ix
Trang 11Λιστ οφ Ταβλεσ
1.1 ∆ι⁄ερεντ τψπεσ οφ φυελ χελλσ [4] 3
1.2 ςαριουσ αππλιχατιον τεστ οφ ΠΕΦΧ ον−βοαρδ [2] 6
1.3 Φυελ χελλ τεχηνολογψ χηαραχτεριζατιον ανδ χονσεθυεντ χηαλλενγεσ [8] 9
2.1 Σελεχτεδ στυδιεσ οφ ΠΕΦΧ µοδελινγ: σινγλε χελλ [62, 63, 64, 65, 66, 67, 68] 21
2.2 Συµµαρψ οφ ϖαριουσ στυδιεσ ον ΠΕΦΧ σταχκ µοδελινγ 29
4.1 Βασε−χασε γεοµετρψ, πηψσιχαλ παραµετερσ ανδ οπερατινγ χονδιτιονσ 62
4.2 Ιντεγραλ αϖεραγε ϖαλυεσ φορ τηε µεµβρανε ιν εαχη χελλ φορ τηε ϖαριουσ χον γυ− ρατιονσ 75
5.1 Πολψνοµιαλ χοε′χιεντσ ανδ υµαξ φαν φορ τηε φαν χηαραχτεριστιχ χυρϖεσ χονσιδερεδ ηερε 90
5.2 Βασε−χασε γεοµετρψ, πηψσιχαλ παραµετερσ ανδ οπερατινγ χονδιτιονσ 91
6.1 Βουνδαρψ χονδιτιονσ 106
6.2 Βασε−χασε γεοµετρψ, πηψσιχαλ παραµετερσ ανδ οπερατινγ χονδιτιονσ 107
7.1 Βουνδαρψ χονδιτιονσ 123
8.1 Συµµαρψ οφ σταχκ περφορµανχε ωιτη ϖαριουσ τηερµαλ µαναγεµεντ στρατεγιεσ ατ νορµαλιζεδ χελλ ϖολταγε οφ 0:6 ς 154
9.1 Γοϖερνινγ εθυατιονσ 159
ξιιι
x
Trang 12Λιστ οφ Ταβλεσ ξιϖ9.2 Βουνδαρψ χονδιτιονσ 159
xi
Trang 13Λιστ οφ Φιγυρεσ
1.1 Ωιλλιαµ Γροϖεσ δραωινγ οφ αν εξπεριµενταλ ∀γασ βαττερψ∀ [3] 21.2 Ηιστοριχαλ ρεϖιεω οφ φυελ χελλσ [7] 51.3 Σχηεµατιχ οφ α ΠΕΦΧ 101.4 Τψπιχαλ οω ελδ χον γυρατιονσ: α) παραλλελ; β) σερπεντινε; χ) ιντερδιγιτατεδ 121.5 Σχηεµατιχ οφ α) ΠΕΦΧ σταχκ; β) σινγλε χελλ; χ) αγγλοµερατε χαταλψστ λαψερ 141.6 Αν εξαµπλε οφ τψπιχαλ ΠΕΦΧ σψστεµ [42] 141.7 Τψπιχαλ ΠΕΦΧ πολαριζατιον χυρϖε σηοωινγ τηε χοντριβυτιον οφ χηαργε τρανσφερ
οϖερποτεντιαλ, αχτ (συµ οφ ανοδε ανδ χατηοδε διστριβυτιον), οηµιχ ποτεντιαλ,
οηµ, ανδ χονχεντρατιον οϖερποτεντιαλ, χονχ το τηε δεϖιατιον φροµ τηερµοδψ−
ναµιχ ϖολταγε ανδ οπεν χιρχυιτ ϖολταγε (ΟΧς) [42] 154.1 Σχηεµατιχ οφ α ΠΕΦΧ: α) σταχκ; β) α σινγλε χελλ ινσιδε τηε σταχκ; χ) τηε αγ−
γλοµερατε χαταλψστ λαψερ 604.2 Ρεπετιτιϖε χοµπυτατιοναλ δοµαιν φορ τηε φυελ χελλ σταχκ ωιτη χοολινγ πλατεσ:
Trang 14Λιστ οφ Φιγυρεσ ξϖι4.3 Πολαριζατιον χυρϖεσ: [] ισ τηε εξπεριµενταλλψ µεασυρεδ ποτεντιαλ; [] ισ τηειΡ−χορρεχτεδ εξπεριµενταλλψ µεασυρεδ ποτεντιαλ; [Ν] ισ τηε εξπεριµενταλλψ οβ−ταινεδ ποωερ δενσιτψ; [ ] ισ τηε πρεδιχτεδ ποτεντιαλ οφ τηε µοδελ; [ ] ισ τηεπρεδιχτεδ ιΡ−χορρεχτεδ ποτεντιαλ µοδελ; [ ] ισ τηε πρεδιχτεδ ποωερ δενσιτψ οφτηε µοδελ 684.4 Λοχαλ χυρρεντ δενσιτψ διστριβυτιον ατ τηε ανοδε τερµιναλ ιν τηε στρεαµωισεδιρεχτιον (ξ−διρεχτιον ιν Φιγυρε 4.2); σψµβολσ αρε τηε εξπεριµενταλλψ µεα−συρεµεντσ ανδ λινεσ αρε µοδελ πρεδιχτιονσ; 13000 Α µ 2 (Φ), 11000 Α µ 2
(Ι), 9000 Α µ 2 (ϑ), 7000 Α µ 2 (Ν), 5000 Α µ 2 (Η), 3000 Α µ 2 (),
2000 Α µ 2 (), 1000 Α µ 2 (), 500 Α µ 2 (>) 704.5 Νορµαλιζεδ πολαριζατιον χυρϖεσ ωηερε τηε σταχκ ϖολταγε ισ διϖιδεδ βψ τηεαµουντ οφ χελλσ: χασε ι ( ); χασε ιι ( ), χασε ιιι ( ), χασε ιϖ ( ).Τηε εξπεριµενταλ πολαριζατιον χυρϖε [97] οφ σινγλε χελλ ωιτη α νετ−τψπε οωανδ χοολινγ ελδ ισ γιϖεν βψ () 714.6 Τεµπερατυρε διστριβυτιονσ (Χ) ινσιδε τηε σταχκ ατ χυρρεντ δενσιτψ οφ 1.1 Α
χµ 2; α) χασε ι (Εχελλ = 0:61 ς); β) χασε ιι (Εχελλ = 0:59 ς); χασε ιιι (Εχελλ =0:43 ς); χασε ιϖ (Εχελλ = 0:34 ς) Τηε αρροωσ ιν τηε γυρε ινδιχατε τηε οωδιρεχτιον τηρουγη τηε χελλ(σ) φορ τηε χοολαντ ανδ τηε οω ατ τηε χατηοδε ανδανοδε (χο−οω) 734.7 Τεµπερατυρε διστριβυτιονσ (Χ) αλονγ τηε ψ−αξισ (φορ ξ : 0 ( ); 30 ( ); 60( ); 90 µµ ( ) οφ τηε σταχκ ατ α χυρρεντ δενσιτψ οφ 1.1 Α χµ 2: α) χασει; β) χασε ιι; χ) χασε ιιι; δ) χασε ιϖ 744.8 Νορµαλιζεδ πολαριζατιον ανδ ποωερ δενσιτψ χυρϖεσ φορ χασε ιιι φορ χοολαντ ινλεττεµπερατυρεσ: 40 Χ ( ); 50Χ ( ); 60 Χ ( ) 764.9 Αϖεραγε τεµπερατυρε ατ τηε χατηοδε χαταλψστ λαψερσ φορ χασε ιιι φορ χοολαντινλετ τεµπερατυρεσ: 40 Χ ( ); 50Χ ( ); 60 Χ ( ) 77
xiii
Trang 15Λιστ οφ Φιγυρεσ ξϖιι4.10 Αϖεραγε λιθυιδ σατυρατιον ατ τηε χατηοδε χαταλψστ λαψερσ φορ χασε ιιι φορ χοολαντινλετ τεµπερατυρε: 40Χ ( ); 50Χ ( ); 60 Χ ( ) 784.11 Νορµαλιζεδ χελλ ϖολταγε ανδ χελλ τεµπερατυρε ατ χυρρεντ δενσιτψ 11000 Α µ 2
φορ χασε ιιι φορ χοολαντ ινλετ τεµπερατυρε 60 Χ ωιτη δι⁄ερεντ χοολαντ ινλετϖελοχιτιεσ: ϖολταγε ( ); τεµπερατυρε ( ) 784.12 Νορµαλιζεδ πολαριζατιον χυρϖεσ φορ χασε ιιι φορ τηε χοολαντ ινλετ τεµπερατυρε
60Χ ωιτη ινλετ χοολαντ ϖελοχιτψ, υχοολ : 0:5 µ σ 1 ( ); 1 µ σ 1 ( ); 2 µ σ 1
( ) 795.1 Σχηεµατιχ οφ ΠΕΦΧ σταχκ ωιτη (α) οπεν−χατηοδε µανιφολδ ανδ αιρ φαν ιν βλοω−ινγ µοδε, (β) σινγλε χελλ ινσιδε σταχκ, (χ) αγγλοµερατε χαταλψστ λαψερ, ανδ (δ)φαν 825.2 Ρεπετιτιϖε χοµπυτατιοναλ δοµαιν φορ τηε φυελ χελλ µοδελ: α) βλοωινγ; β) συχ−τιον Τηε βουνδαριεσ αρε µαρκεδ ωιτη ροµαν νυµεραλσ: περιοδιχ αµβιεντχονδιτιονσ (Ι ανδ Ι); περιοδιχ φυελ χελλ σταχκ υνιτ (ΙΙ ανδ ΙΙ); περιοδιχ αµβιεντχονδιτιονσ (ΙΙΙ ανδ ΙΙΙ); λεφτµοστ αµβιεντ (Ις); ριγητµοστ αµβιεντ (ς), ανοδεινλετ (ςΙ), ανοδε ουτλετ (ςΙΙ), ανοδε/χατηοδε οω ελδ ανδ χυρρεντ χολλεχτοριντερφαχε (ςΙΙΙ/ΙΞ), ωαλλ/ινσυλατιον (Ξ), συρρουνδινγ ανδ ανοδε ινλετ/ουτλετ(ΞΙ/ΞΙΙ) 855.3 Σψστεµ χηαραχτεριστιχ χυρϖε φορ τηε σταχκ ( ) ανδ φαν χηαραχτεριστιχ χυρϖεσωιτη τηε σψµβολσ δενοτινγ δατα φροµ τηε µανυφαχτυρερ [266] ανδ τηε λινεσδενοτινγ πολψνοµιαλ τσ φορ ϖε δι⁄ερεντ ποωερ ρατινγσ; ϖιζ., 4:5 (Ι), 12:2(Η); 19:5 (Ν), 30 (), ανδ 60 Ω () Τηε ιντερσεχτιονσ βετωεεν τηε σταχκ ανδφαν χηαραχτεριστιχ χυρϖεσ αρε γιϖεν βψ () 945.4 Πρεσσυρε διστριβυτιον φορ τηε βασε χασε ωιτη τηε φαν ιν ειτηερ α) βλοωινγ µοδε
ορ β) συχτιον µοδε 965.5 Αϖεραγε χυρρεντ δενσιτψ ( ) ανδ τηε χορρεσπονδινγ αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε
xiv
Trang 16Λιστ οφ Φιγυρεσ ξϖιιι5.6 Χηαραχτεριστιχ χυρϖεσ φορ α σταχκ ωιτη α χατηοδε οω− ελδ ηειγητ οφ 0.5 µµ( ), 1.5 µµ ( ), ανδ 3 µµ ( ); τηε 19.5Ω φαν χηαραχτεριστιχ χυρϖε (Ν);ανδ ιντερσεχτιον βετωεεν τηε χηαραχτεριστιχ χυρϖεσ () 985.7 Λοχαλ διστριβυτιον αλονγ τηε µιδδλε οφ τηε χατηοδε οω− ελδ ηειγητ φορ τηεφολλοωινγ δεπενδεντ ϖαριαβλεσ: α) πρεσσυρε; β) στρεαµωισε ϖελοχιτψ; χ) τεµπερ−ατυρε; δ) ωατερ χοντεντ περ συλφονιχ αχιδ γρουπ; ε) οξψγεν χονχεντρατιον; ανδφ) χυρρεντ δενσιτψ Τηρεε δι⁄ερεντ χατηοδε οω ελδ ηειγητσ αρε χονσιδερεδ:0.5 µµ ( ), 1.5 µµ ( ), ανδ 3 µµ ( ) 1005.8 Χοµπαρισον οφ τηε αϖεραγε τεµπερατυρε ινχρεασε οφ τηε σταχκ ατ ινχρεασινγχυρρεντ δενσιτιεσ φορ τηρεε δι⁄ερεντ χατηοδε οω− ελδ ηειγητσ: 0.5 (Ι), 1.5(Η), ανδ 3 µµ (Ν) 1015.9 Χοµπαρισον οφ πολαριζατιον χυρϖεσ φορ τηρεε χατηοδε οω− ελδ ηειγητσ: 0.5(Ι), 1.5 (Η), ανδ 3 µµ (Ν) 1016.1 Ρεπετιτιϖε χοµπυτατιοναλ δοµαιν φορ τηε οπεν−χατηοδε φυελ χελλ σταχκ µοδελφορ: α) σινγλε φαν (βασε χασε); β) ωιτη φανσ ιν σεριεσ; χ) ωιτη αδδιτιοναλ χοολαντπλατεσ 1056.2 ΣΧΧ φορ τηε βασε χασε ( ); οπερατινγ ποιντ (); ανδ ΦΧΧ φορ φαν ποωερσ οφ4:5 (), 12:2 (Η), 19:5 (Ν), 30 (), ανδ 60 Ω () 1106.3 Σταχκ ποωερ ( ) ανδ χορρεσπονδινγ νετ ποωερ ( ) φορ ινχρεασινγ φαν ποωερ 1116.4 ΦΧΧ φορ α σινγλε 30 Ω φαν (Ν), α σινγλε 60 Ω (), ανδ τωο 30 Ω φανσ ιν σεριεσ(Φ); ανδ ΣΧΧ φορ τηε βασε χασε ( ) ανδ οπερατινγ ποιντ () 1126.5 Χοµπαρισον οφ πολαριζατιον χυρϖεσ ( ) ανδ αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε ( )φορ α σινγλε 30 Ω φαν (Ν), α σινγλε 60 Ω (), ανδ τωο 30 Ω φανσ ιν σεριεσ (Φ).1136.6 ΣΧΧ φορ α φυελ χελλ σταχκ λενγτη οφ 18 (Ν), 9 (), ανδ 4:5 χµ ();ΦΧΧ φορ αφαν ποωερ οφ 19:5 Ω (ϑ); ανδ οπερατινγ ποιντ () 1146.7 Χοµπαρισον οφ πολαριζατιον χυρϖε ( ) ανδ αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε ( ) φορφυελ χελλ σταχκ λενγτησ οφ 18 (Ν), 9 (), ανδ 4:5 χµ () 115
xv
Trang 17Λιστ οφ Φιγυρεσ ξιξ6.8 ΣΧΧ φορ τηε βασε χασε () ανδ σταχκ ωιτη αδδιτιοναλ αιρ−χοολαντ χηαννελσ (),ΦΧΧ οφ 19:5 Ω (ϑ), ανδ οπερατινγ ποιντ () 1166.9 Χοµπαρισον οφ πολαριζατιον χυρϖε ( ) ανδ αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε ( ) ιν
αν οπεν−χατηοδε ΠΕΦΧ σταχκ ωιτη φορχεδ αιρ χονϖεχτιον χοολινγ φορ τηε βασεχασε() ανδ ωιτη αδδιτιοναλ αιρ−χοολαντ χηαννελσ () 1176.10 ΣΧΧ φορ α υνιτ χελλ ϖολταγε οφ 0.8 ( ), 0.6 ( ), ανδ 0.4 ς ( ); ανδ ΦΧΧφορ φανσ οπερατινγ ατ 4:5 (), 12:2 (Η), 19:5 (Ν), 30 (), ανδ 60 Ω () 1186.11 ΣΧΧ φορ στραιγητ−φορωαρδ αιρ οω σιµυλατιον ( ) ανδ υνιτ χελλ ϖολταγε οφ 0.6
ς ( ); ανδ ΦΧΧ φορ 4:5 (), 12:2 (Η), 19:5 (Ν), 30 (), ανδ 60 Ω () 1187.1 Σχηεµατιχ οφ τηε ρεϖερσινγ−οω χονχεπτ ωιτη φορχεδ−αιρ χονϖεχτιον χοολινγ αττηε χατηοδεσ οφ α ΠΕΦΧ σταχκ Τηε αρροωσ ινδιχατε τηε ρεϖερσαλ οφ τηε οω 1217.2 Χοµπυτατιοναλ δοµαιν ωιτη αµβιεντ, σταχκ ανδ τωο φανσ 1227.3 Τεµπερατυρε διστριβυτιον ιν τηε µιδδλε οφ τηε χελλ (ξ=0) φορ χελλ ϖολταγε 0.7
ς ατ α) 0 σ (στεαδψ−στατε; βεφορε ρεϖερσινγ οω) ανδ αφτερ οω ρεϖερσαλ: β) 5
σ, χ) 15 σ, δ) 25 σ, ε) 50 σ, φ) 75 σ, γ) 95 σ, η) 105 σ, ι) 115 σ, ϕ) 150 σ, κ) 165
σ, ανδ λ) 180 σ Τηε αρροωσ ιν τηε γυρεσ ινδιχατε τηε αιρ−οω διρεχτιον 1277.4 Τρανσιεντ σταχκ τεµπερατυρε ωιτη περιοδιχ οω ρεϖερσαλ εϖερψ 90 σ 1287.5 Τρανσιεντ στανδαρδ−δεϖιατιον οφ τηε τεµπερατυρε διστριβυτιον ωιτη περιοδιχ
οω ρεϖερσαλ εϖερψ 90 σ 1287.6 Μεµβρανε ωατερ χοντεντ διστριβυτιον ατ α) 0 σ (βεφορε οω ρεϖερσαλ) ανδ αφτερ
οω ρεϖερσαλ: β) 5 σ, χ) 15 σ, δ) 25 σ, ε) 50 σ, ανδ φ) 75 σ 1297.7 Χυρρεντ δενσιτψ διστριβυτιον ιν τηε χατηοδε χαταλψστ λαψερ ατ α) 0 σ (βεφορερεϖερσινγ οω) ανδ αφτερ οω ρεϖερσαλ: β) 5 σ , χ) 15 σ, δ) 25 σ, ε) 50 σ, ανδ φ)
75 σ 1307.8 Πολαριζατιον χυρϖεσ φορ [ ] οω ρεϖερσαλ (αϖεραγεσ οϖερ τιµε) ανδ [ ] στεαδψ−στατε φορωαρδ οω 130
xvi
Trang 18Λιστ οφ Φιγυρεσ ξξ7.9 Στανδαρδ δεϖιατιον οφ χυρρεντ δενσιτψ διστριβυτιον φορ [ ] οω ρεϖερσαλ (αϖ−εραγεσ οϖερ τιµε) ανδ [ ] στεαδψ−στατε φορωαρδ οω 1317.10 Τρανσιεντ αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε ωιτη περιοδιχ οω ρεϖερσαλ εϖερψ 30 ();
60 ( ); ανδ 90 σ () 1337.11 Τρανσιεντ στανδαρδ−δεϖιατιον οφ τηε µεαν τεµπερατυρε διστριβυτιον ωιτη πε−ριοδιχ οω ρεϖερσαλ εϖερψ 30 ( ); 60 ( ); ανδ 90 σ ( ) 1338.1 Σχηεµατιχ οφ ΠΕΦΧ σταχκ 1368.2 Χοµπυτατιοναλ δοµαιν φορ α) χασε ι ανδ ιι; β) χασε ιιι; ανδ χ) χασε ιϖ ανδ ϖ 1398.3 Χοµπαρισον οφ α) πολαριζατιον χυρϖε; β) αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε; χ) αϖεραγελιθυιδ σατυρατιον ατ τηε χατηοδε γασ δι⁄υσιον ανδ χαταλψστ λαψερσ φορ χοολαντ
Ρε οφ 10 (Ι), 25 (Η), 50 (Ν), 75 (), ανδ 100 () 1438.4 Χοµπαρισον οφ α) πολαριζατιον χυρϖε; β) αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε; χ) αϖεραγελιθυιδ σατυρατιον ατ τηε χατηοδε γασ δι⁄υσιον ανδ χαταλψστ λαψερσ φορ χοολαντ
Ρε οφ 100 (Ι), 500 (Η), 1000 (Ν) 1458.5 Χοµπαρισον οφ α) πολαριζατιον χυρϖε; β) αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε; χ) αϖεραγελιθυιδ σατυρατιον ατ τηε χατηοδε γασ δι⁄υσιον λαψερ ανδ χαταλψστ λαψερ φορ φανποωερ 4:5 (Ι), 19:5 (Η), 30 Ω (Ν) 1488.6 Χοµπαρισον οφ α) πολαριζατιον χυρϖε; β) αϖεραγε σταχκ τεµπερατυρε φορ σινγλεχελλ ωιτη νατυραλ χονϖεχτιον (Ι), σταχκ ωιτη νατυραλ χονϖεχτιον (Η), σταχκωιτη φορχεδ αιρ−χονϖεχτιον (φαν) χοολινγ Ω (Ν) 1498.7 Τηερµαλ πλυµε φορ α) σινγλε χελλ ωιτη νατυραλ χονϖεχτιον; β) σταχκ ωιτη νατυραλχονϖεχτιον; χ) σταχκ ωιτη φορχεδ αιρ−χονϖεχτιον (φαν) χοολινγ 1518.8 Πολαριζατιον χυρϖεσ φορ ΠΕΦΧ σταχκ ωιτη λιθυιδ χοολινγ (); εδγε χοολινγ (Ι);αιρ χοολινγ (Η); ανδ οπεν−χατηοδε ωιτη φορχεδ (Ν) ανδ νατυραλ−αιρ χονϖεχτιον() 153
xvii
Trang 19Λιστ οφ Φιγυρεσ ξξι9.1 Σχηεµατιχ οφ α φυελ χελλ: α) ΠΕΦΧ εθυιππεδ ωιτη δεαδ−ενδ ανοδε; β) αγ−γλοµερατε χαταλψστ λαψερ Τηε βουνδαριεσ αρε µαρκεδ ωιτη ροµαν νυµεραλσ:
Ι ανοδε τερµιναλ; ΙΙ χατηοδε τερµιναλ; ΙΙΙ ανοδε ινλετ; Ις χατηοδε ινλετ; ςχατηοδε ουτλετ; ςΙ λεφτ ανδ ριγητµοστ ωαλλσ; ςΙΙ ανοδε ουτλετ/δεαδ−ενδ; ςΙΙΙανοδε/χατηοδε οω ελδ ανδ χυρρεντ χολλεχτορ ιντερφαχε 1579.2 Πολαριζατιον χυρϖε φορ οπεν ανοδε ουτλετ χασε: () εξπεριµενταλ [97]; ( )µοδελ πρεδιχτιον 1639.3 Τρανσιεντ περφορµανχε οφ ΠΕΦΧ οπερατινγ ωιτη α δεαδ ενδ ανοδε ατ χον−σταντ χυρρεντ δενσιτιεσ (γαλϖανοστατιχ µοδε) Νοτε τηατ περφορµανχε ατ 0σχορρεσπονδσ το οπεν−ενδ ανοδε οπερατιον 1649.4 Λοχαλ διστριβυτιον αλονγ µιδδλε οφ χατηοδε χαταλψστ λαψερ ορ µιδδλε οφ ανοδε
οω ελδ ατ α χονσταντ χυρρεντ δενσιτψ οφ 11000 Α µ 2 ατ: 0 σ ωηιχη χορρε−σπονδσ το οπεν−ενδεδ οπερατιον (+); 240 σ ( ); 780 σ ( ); 2010 σ ( );ανδ 3000 σ ( ) φορ φολλοωινγ δεπενδεντ ϖαριαβλεσ: (α) χυρρεντ δενσιτψ; (β)ηψδρογεν µολ φραχτιον; (χ) λιθυιδ σατυρατιον; ανδ (δ) νιτρογεν µολ φραχτιον 1669.5 Τρανσιεντ περφορµανχε οφ ΠΕΦΧ ωιτη α δεαδ ενδ ανοδε ατ χονσταντ χελλ ϖολταγε(ποτεντιοστατιχ µοδε) φορ α) αϖεραγε χυρρεντ δενσιτψ; β) λοχαλ χυρρεντ δενσιτψδιστριβυτιονσ ατ 0 σ (), 240 σ (Ν), 780 σ (ϑ), 2100 σ (), 3200 σ (), 7000 σ(Η), 13000 σ (Ι), ανδ 16000 σ (Φ) 1679.6 Ε⁄εχτ οφ ανοδε ινλετ πρεσσυρε ατ α χονσταντ χυρρεντ δενσιτψ οφ 11000 Α µ 2
ον τηε α) χελλ περφορµανχε; β) αϖεραγε ηψδρογεν χονχεντρατιον ατ τηε ανοδε;χ) αϖεραγε λιθυιδ σατυρατιον ατ τηε ανοδε; δ) αϖεραγε νιτρογεν χονχεντρατιον
ατ τηε ανοδε φορ ( ) 5000 Πα; ( ) 10000 Πα (βασε χασε); ( ) 20000 Πα 1689.7 Ε⁄εχτ οφ ανοδε ινλετ ρελατιϖε ηυµιδιτψ ατ α χονσταντ χυρρεντ δενσιτψ οφ 11000
Α µ 2 ον τηε α) χελλ περφορµανχε; β) αϖεραγε ηψδρογεν χονχεντρατιον ατ τηεανοδε; χ) αϖεραγε λιθυιδ σατυρατιον ατ τηε ανοδε; δ) αϖεραγε νιτρογεν χονχεν−τρατιον ατ τηε ανοδε φορ ( ) 0 %; ( ) 50 %; ( ) 100 % (βασε χασε) 170
xviii
Trang 209.8 Ε⁄εχτ οφ πυργινγ φρεθυενχψ το τηε α) χελλ περφορµανχε; β) αϖεραγε ηψφρογενχονχεντρατιον ατ τηε ανοδε; χ) αϖεραγε λιθυιδ σατυρατιον ατ τηε ανοδε; δ)αϖεραγε νιτρογεν χονχεντρατιον ατ τηε ανοδε φορ πυργινγ φρεθυενχψ οφ ( ) 5µινυτεσ; ( ) 10 µινυτεσ; ανδ ( ) νο πυργινγ (βασε χασε) 1739.9 Ε⁄εχτ οφ πυργινγ δυρατιον το τηε α) χελλ περφορµανχε; β) αϖεραγε ηψφρογενχονχεντρατιον ατ τηε ανοδε; χ) αϖεραγε λιθυιδ σατυρατιον ατ τηε ανοδε; δ)αϖεραγε νιτρογεν χονχεντρατιον ατ τηε ανοδε φορ πυργινγ δυρατιον οφ ( )
60 σ; ( ) 30 σ; ανδ ( ) 1 σ 175
xix
Trang 27Χηαπτερ 1
Ιντροδυχτιον
Ιν ρεχεντ ψεαρσ, γροωινγ ωορλδ ενεργψ δεµανδ δυε το ινδυστριαλιζατιον ηασ ινχρεασεδ τηελεϖελ οφ ενϖιρονµενταλ πολλυτιον, ρεσυλτινγ ιν α νεγατιϖε ιµπαχτ ον γλοβαλ χλιµατε Χλιµατεχηανγε ισ τηουγητ το βε δυε το τηε αχχυµυλατιον οφ τηε γρεενηουσε εµισσιονσ φροµ φοσσιλ φυελσ
ιν τηε ατµοσπηερε Ατ τηε σαµε τιµε, τηε αϖαιλαβλε σουρχεσ οφ φοσσιλ φυελσ, εσπεχιαλλψ οιλ, αρελιµιτεδ ανδ αρε εξπεχτεδ το βε δεπλετεδ ιν 70 150 ψεαρσ Ιτ ισ εστιµατεδ τηατ βψ τηε ψεαρ
2015, τηε ωορλδ φοσσιλ φυελ δεµανδ ωιλλ ουτστριπ ιτσ προδυχτιον, λεαδινγ το αν ενεργψ χρισισυνλεσσ α συσταιναβλε αλτερνατιϖε φυελ χαν βε φουνδ [1] Τηισ βλεακ σχεναριο ηιγηλιγητσ τηενεεδ το ινχρεασε τηε υτιλιζατιον οφ χλεανερ ενεργψ ρεσουρχεσ, συχη ασ ρενεωαβλε ενεργψ (σολαρ,ωινδ, γεοτηερµαλ ετχ.), χουπλεδ ωιτη ενεργψ τεχηνολογψ το ιµπροϖε τηε ε′χιενχψ ασ ωελλ ασ
το ρεδυχε γρεενηουσε εµισσιονσ Ονε συχη ποτεντιαλλψ δισρυπτιϖε ενεργψ τεχηνολογψ ισ τηεφυελ χελλ, ωηιχη ισ αν αλτερνατιϖε ενεργψ χονϖερσιον δεϖιχε τηατ ιν ρεχεντ ψεαρσ ηασ εµεργεδ ασ
α χανδιδατε φορ ρεπλαχινγ εξιστινγ ποωερ σουρχεσ δυε το ιτσ ωιδε ρανγε οφ αππλιχατιονσ Τηεσερανγε φροµ αυτοµοτιϖε, στατιοναρψ ποωερ το πορταβλε αππλιχατιονσ [2] Λοω εµισσιονσ, ηιγηε′χιενχψ τηατ ισ νοτ λιµιτεδ βψ Χαρνοτ ε′χιενχψ, σιλεντ οπερατιον, νο µοϖινγ παρτσ, ανδ ιτσαβιλιτψ το ρυν ον ηψδρογεν αρε τηε µαιν αδϖανταγεσ
1
1
Trang 281.2 Φυελ χελλσ 2
Φιγυρε 1.1: Ωιλλιαµ Γροϖεσ δραωινγ οφ αν εξπεριµενταλ ∀γασ βαττερψ∀ [3]
Τηε φυελ χελλ ισ αν ελεχτροχηεµιχαλ ενεργψ χονϖερσιον δεϖιχε τηατ χονϖερτσ διρεχτλψ τηε χηεµ−ιχαλ ενεργψ οφ φυελσ τηρουγη ελεχτροχηεµιχαλ ρεαχτιονσ το ελεχτριχιτψ Υνλικε α βαττερψ, ωηιχη
ισ αν ενεργψ στοραγε δεϖιχε, φυελ χελλσ προδυχε ελεχτριχιτψ ασ λονγ ασ φυελ ανδ ρεαχταντ αρεσυππλιεδ
Τηε ηιστορψ οφ τηε φυελ χελλ δατεσ βαχκ το τηε ειγητεεντη χεντυρψ ωηεν Σιρ Ωιλλιαµ Γροϖεδεϖελοπεδ τηε ρστ ωορκινγ φυελ χελλ Ηε δισχοϖερεδ τηατ βψ αρρανγινγ τωο πλατινυµ ελεχτροδεσωιτη ονε ενδ οφ εαχη ιµµερσεδ ιν α συλπηυριχ αχιδ χονταινερ ανδ τηε οτηερ ενδ σεπαρατελψσεαλεδ ιν χονταινερσ οφ οξψγεν ανδ ηψδρογεν, α χυρρεντ ωουλδ οω βετωεεν ελεχτροδεσ, ανδ
ηε νοτεδ τηατ ωατερ λεϖελ ροσε δυρινγ τηε ρεαχτιονσ (σεε Φιγυρε 1.1 φορ δεταιλσ)
Ιτ ωουλδ τακε µορε τηαν α χεντυρψ υντιλ τηε φυελ χελλ ρεσυρφαχεδ αγαιν, ναµελψ ιν τηε εαρλψ1960σ, ωηεν τηε ρστ πραχτιχαλ φυελ χελλ ωασ υσεδ βψ ΝΑΣΑ φορ τηε Γεµινι Σπαχε προγραµ.Σινχε τηεν, φυελ χελλ Ρ&∆ ηασ βεεν ρεχειϖινγ εϖερ ινχρεασινγ αττεντιον αρουνδ τηε ωορλδ,αλτηουγη ωε ηαϖε ψετ το σεε εαρνεστ γλοβαλ χοµµερχιαλιζατιον
Trang 29φυελ χελλ (ΠΑΦΧ)
175−220 40−45 Στανδ−αλονε
& χοµβινεδηεατ ανδποωερ
Τολεραντ τοιµπυρε Η2,χοµµερχιαλ
Λοω ποωερ δεν−σιτψ, χορροσιον &συλφυρ ποισονινγ
Ηιγη ε′−
χιενχψ, νεαρχοµµερχιαλ
Ελεχτρολψτεινσταβιλιτψ,χορροσιον ανδσυλφυρ ποισονινγ
Ηιγη ε′−
χιενχψ ανδδιρεχτ φοσσιλφυελ
Ηιγη τεµπερ−ατυρε, τηερµαλστρεσσ φαιλυρε,χοκινγ ανδσυλφυρ ποισονινγΠολψµερ ελεχ−
Ιντολεραντ το
ΧΟ ιν ιµ−πυρε Η2 ανδεξπενσιϖε
∆ιρεχτ µετηανολ
φυελ χελλ (∆ΜΦΧ)
50−120 25−40 ςεηιχλε
ανδ σµαλλπορταβλε
Νο ρεφορµινγ,ηιγη ποωερδενσιτψ & λοωτεµπερατυρε
Λοω ε′χιενχψ,µετηανολ
χροσσοϖερ &ποισονουσβψπροδυχτ
Τηε χλασσι χατιον οφ φυελ χελλσ ισ υσυαλλψ βασεδ ον τηε ελεχτρολψτε µατεριαλ ορ οπερατινγτεµπερατυρε ανδ φυελ/οξιδαντ υσεδ Σοµε χοµµον τψπεσ οφ τηε φυελ χελλσ συµµαριζεδ ινΤαβλε 1.1 Ουτ οφ τηεσε, τηε πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλψ (ΠΕΦΧ), διρεχτ µετηανολ φυελ χελλ(∆ΜΦΧ), ανδ σολιδ οξιδε φυελ χελλ (ΣΟΦΧ) ηαϖε εµεργεδ ασ τηε µοστ προµισινγ χανδιδατεσφορ χοµµερχιαλ αππλιχατιονσ Ιν τηισ τηεσισ, τηε ΠΕΦΧ ισ τηε µαιν φοχυσ φορ στυδψ
ψ Τηισ φυελ χελλ ισ σοµετιµεσ αλσο ρεφερρεδ το ασ α προτον εξχηανγε µεµβρανε φυελ χελλ (ΠΕΜΦΧ) ορ σολιδ πολψµερ φυελ χελλ (ΣΠΦΧ)
Trang 301.3 Χυρρεντ στατυσ οφ φυελ χελλ τεχηνολογψ 4
Τηε οϖεραλλ ηιγη δεγρεε οφ ρεσεαρχη ανδ δεϖελοπµεντ οφ φυελ χελλσ οϖερ τηε λαστ φεω δεχαδεσ,εσπεχιαλλψ τηε ΠΕΦΧ, ηασ λεδ το α σεριεσ οφ ιµπροϖεµεντσ Νοτεωορτηψ ισ τηε ϕυµπ ιν χελλπερφορµανχε τηατ ωασ αχηιεϖεδ φροµ 50 100 Ω µ 2 ιν 1959−1961 ωιτη α πηενολ συλφονιχµεµβρανε το 6000 8000 Ω µ 2 ιν 1971 1980 βψ τηε ιντροδυχτιον οφ τηε Να ον µεµβρανε[5] Αρουνδ τηιρτεεν ψεαρσ λατερ, τηε ρστ φυελ χελλ ωασ βρουγητ φροµ λαβορατορψ το ποωερ αχαρ ιν τηε Νεω Γενερατιον οφ ςεηιχλε προγραµ (ΠΝΓς) ιν τηε ΥΣ ιν 1993 [6]; µορεοϖερ, ιν
2007, τηε ϖεηιχλε µανυφαχτυρερ Ηονδα λαυνχηεδ α φυελ χελλ χαρ ΦΧΞ χλαριτψ ανδ χοµµερχιαλλψαϖαιλαβλε ιν 2008 [7] Α συµµαρψ οφ τηε φυελ χελλ δεϖελοπµεντ φροµ παστ το πρεσεντ χαν βεσεεν ιν Φιγυρε 1.2; ωηιλε α µορε δεταιλεδ δισχυσσιον χαν βε φουνδ ιν [7]
Τηε ΠΕΦΧ ηαϖε ρεχεντλψ πασσεδ τηε δεµονστρατιον πηασε ανδ ηαϖε παρτιαλλψ ρεαχηεδ τηεχοµµερχιαλιζατιον σταγε βεχαυσε οφ τηε ραπιδ δεϖελοπµεντ ανδ ιµπρεσσιϖε ρεσεαρχη ε⁄ορτωορλδωιδε Ηοωεϖερ, δεσπιτε τηε προµισινγ αχηιεϖεµεντσ ανδ πλαυσιβλε προσπεχτσ φορ ΠΕΦΧ,
ιν ϖιεω οφ τηε ρεµαινινγ χηαλλενγεσ (σεε Ταβλε 1.3 φορ δεταιλσ) ιτ ισ χοµµονλψ αγρεεδ τηατ τηερε
ισ στιλλ α λονγ ωαψ το γο βεφορε τηεψ χαν συχχεσσφυλλψ ανδ εχονοµιχαλλψ ρεπλαχε τηε ϖαριουστραδιτιοναλ ενεργψ σψστεµσ [8] Ιν ορδερ το σπεεδ υπ τηε προγρεσσ το ρεαχη χοµµερχιαλιζα−τιον πηασε, µανψ χοµπανιεσ ινχλυδινγ φυελ χελλ τεχηνολογψ (Βαλλαρδ, ΥΤΧ, Νυϖερα, ΓΕ−ΦΧΣ,Πλυγ Ποωερ, Ιντελλεγεντ Ενεργψ, ΝοϖΑρσ, Σµαρτ φυελ χελλ, Τοσηιβα, Σανψο ανδ Ηψδρογεν−ιχσ), αυτοµοβιλε (∆αιµλε−Χηρψσλερ, Φορδ, Ρεναυλτ, Τοψοτα, Νισσαν, ΓΜ, ΒΜΩ, Ηψυνδαι)ανδ ελεχτριχιτψ (ΝΤΤ, Σανψο, Σαµσυνγ ανδ ΙΒΜ) ηαϖε αννουνχεδ ϖαριουσ αππλιχατιονσ, νεωτεχηνολογιεσ ανδ προτοτψπε ϖεηιχλεσ ποωερεδ βψ ΠΕΦΧ [9, 10, 11, 12, 13, 14] Γενεραλλψ, τηερεαρε τηρεε µαιν αππλιχατιον ελδσ φορ α ΠΕΦΧ σψστεµ, ε.γ., τρανσπορτατιον, στατιοναρψ ανδπορταβλε αππλιχατιονσ ωηιχη αρε συµµαριζεδ ιν Ταβλε 1.2 Οϖερ 90% οφ αλλ φυελ χελλ ϖεηιχλεσ
ον τηε ροαδ ηαϖε βεεν ρεπορτεδλψ εθυιππεδ ωιτη α ΠΕΦΧ [15]
Χυρρεντλψ, τηερε αρε τηρεε µαϕορ χηαλλενγεσ ιν φυελ χελλ ρεσεαρχη ανδ δεϖελοπµεντ ωηιχηνεεδ το βε ιµπροϖεδ [23, 24]:
Trang 311.3 Χυρρεντ στατυσ οφ φυελ χελλ τεχηνολογψ 5
Φιγυρε 1.2: Ηιστοριχαλ ρεϖιεω οφ φυελ χελλσ [7]
Trang 3250 κΩ Χοµπρεσσεδ
ηψδρογεν ινχψλινδερ
Ε′χιενχψ: 40%,µεαν ποωερ χον−
300 Ω Ηψδρογεν
στορεδ ινµεταλ ηψ−
5 κΩ Ηιγη πρεσ−
συρε γασεουσηψδρογεν ινχψλινδερ
∆ριϖε οϖερ α 10 κµρυν ατ α σπεεδ οφ 18κµ/η
[18]
Σαιλινγ
ψαχητ
Αυξιλιαρψποωερυνιτ(ΑΠΥ)
300 Ω Ηψδρογεν
προδυχεδ
βψ ΛΠΓ ϖια
α σεριεσ οφπροχεσσορον−βοαρδσψστεµ
Υσεδ ασ αυξιλιαρψποωερ υνιτ υσινγβοττλεδ ΛΠΓ ασ φυελ
5 κΩ Χοµµερχιαλλψ
αϖαιλαβλε 15ΜΠα ηψδρο−
γεν χψλινδερ
Ε′χιενχψ: µορετηαν 30% ιν φυλλψλοαδεδ οπερατιον
Οπερατεδ 3 η ατ 5
κΩ ωιτη 50 λιτερηψδρογεν χψλινδερσ
2 κΩ Ηψδρογεν
προδυχεδ βψµετηανολ ϖιαφυελ προχεσσ−
ινγ
Τοταλ χοστ ωασστρονγλψ δεπενδεντ
46 Ω Ηψδρογεν
στορεδ ιντηε µεταληψδριδεσ
Τρουβλε−φρεε σταρτ−
υπ οφ τηε πορταβλεχοµπυτερ
[22]
Trang 331.3 Χυρρεντ στατυσ οφ φυελ χελλ τεχηνολογψ 7
Χοστ: Τηε χυρρεντ χοστ οφ α ΠΕΦΧ φορ αυτοµοτιϖε αππλιχατιον ισ αππροξιµατελψ 600
1000 ∃ κΩ 1 [25, 26] ωηιχη µεανσ τηατ τηε χοστ οφ α ϖεηιχλε ποωερεδ βψ φυελ χελλ ισαβουτ 10 τιµεσ τηαν τηατ οφ τηε τραδιτιοναλ χαρ ωιτη αν ιντερναλ χοµβυστιον ενγινε;τηε τοταλ χοστ οφ α ΠΕΦΧ φορ στατιοναρψ αππλιχατιονσ ανδ χοµβινεδ ηεατ ποωερ σψστεµ
ισ αρουνδ 23000 ∃ κΩ 1 [27] Ιν ορδερ το βε αβλε το χοµπετε ωιτη τραδιτιοναλ ποωερσουρχεσ, τηε ΥΣ ∆επαρτµεντ οφ Ενεργψ (∆ΟΕ) ηασ σετ ταργετσ φορ ηψδρογεν ανδ φυελ χελλτεχηνολογιεσ Τηε ταργετσ φορ αυτοµοτιϖε φυελ χελλσ χοστ ισ αρουνδ 30 ∃ κΩ 1 βψ 2015;ωηερεασ, φορ στατιοναρψ αππλιχατιον, τηε ταργετσ ισ ατ φυελ χελλ χοστ οφ 750 ∃ κΩ 1 [23]
∆υραβιλιτψ: Φορ α φυελ χελλ οπερατινγ υνδερ χονσταντ λοαδ χονδιτιονσ, ε.γ., ιν στατιοναρψαππλιχατιονσ, τηε δεγραδατιον ρατε χαν βε ασ λοω ασ 1 10 ς η 1 [28], τηισ ωουλδ ρεσυλτ
ιν 40 80 µς περφορµανχε λοσσ οϖερ 40000 η, ι.ε αν ε′χιενχψ ανδ ποωερ λοσσ οφ 10%οϖερ 40000 η λιφετιµε [29] Ηοωεϖερ, τηε δεγραδατιον ρατεσ χαν ινχρεασε βψ ορδερσ οφµαγνιτυδε ωηεν χονδιτιονσ ινχλυδε λοαδ χψχλινγ, σταρτ−στοπ χψχλεσ, λοω ηυµιδι χατιον
ορ ηυµιδι χατιον χψχλινγ, τεµπερατυρεσ οφ 90 Χ ορ ηιγηερ ανδ φυελ σταρϖατιον Συχηχονδιτιονσ αρε εξπεχτεδ φορ αυτοµοτιϖε αππλιχατιονσ Χυρρεντλψ, τηε τψπιχαλ δυραβιλιτψφορ φυελ χελλ ιν αυτοµοτιϖε αππλιχατιον ισ λεσσ τηαν 5000 η (εθυιϖαλεντ το 150000 µιλεσ);φορ εξαµπλε, Μερχεδεσ−Βενζ χλαιµσ α λιφετιµε οφ αβοϖε 2000 η ωιτηουτ περφορµανχεδεγραδατιον φορ τηειρ χυρρεντ φυελ χελλ σταχκσ οπερατεδ ιν τεστ−ϖεηιχλεσ [30] Ηενχε, ΥΣ
∆ΟΕ ηασ αλσο σετ ταργετσ φορ φυελ χελλ δυραβιλιτψ το βε ιµπροϖεδ υπ το 5000 ανδ 40000
η φορ αυτοµοτιϖε ανδ στατιοναρψ αππλιχατιονσ, ρεσπεχτιϖελψ, βψ 2015 [23] Μορεοϖερ,ρεϖιεωσ οφ τηε φυελ χελλ δυραβιλιτψ χαν βε φουνδ ιν [24, 28, 29, 31]
Περφορµανχε: Φυελ χελλ περφορµανχε ηασ ιµπροϖεδ ραπιδλψ ιν ρεχεντ ψεαρσ; τηε περ−φορµανχε ιµπροϖεδ φροµ 300 Ω µ 2 ιν τηε ΝΑΣΑ Γεµινι προϕεχτ ιν 1960 το ποωερδενσιτιεσ οφ αβουτ 6000 Ω µ 2 φορ µορε ρεχεντ φυελ χελλ σταχκ, ε.γ., Βαλλαρδ ΜΚ 900 [26].Αλτηουγη ποωερ δενσιτιεσ οφ 10000 Ω µ 2 ανδ εϖεν ηιγηερ ηαϖε αλρεαδψ βεεν µετ ιντηε λαβορατορψ, τηερε ισ στιλλ αν ιντερδεπενδενχιεσ βετωεεν φυελ χελλ περφορµανχε ανδχαταλψστ λοαδινγ Ηενχε, ΥΣ ∆ΟΕ ηασ σετ α ταργετ φορ ποωερ δενσιτιεσ οφ 10000 Ω µ 2
Trang 341.4 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ 8ωιτη φυελ χελλ ε′χιενχψ 60 % βψ 2015 [23, 26]
Ιν ορδερ το ρεαχη τηε φυλλ χοµµερχιαλιζατιον ποτεντιαλ οφ φυελ χελλσ, τηε χαπιταλ χοστ οφτηε ΠΕΦΧ µυστ βε ρεδυχεδ συβσταντιαλλψ, εσπεχιαλλψ τηε χοστ οφ µεµβρανε, χαταλψστ, ανδβιπολαρ πλατεσ Φυρτηερµορε, τηε δεταιλσ χηαραχτεριζατιον ανδ χονσεθυεντ χηαλλενγεσ φορ φυελχελλ χοµµερχιαλιζατιον αρε συµµαριζεδ ιν Ταβλε 1.3 [8]
Τηε Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ (ΠΕΦΧ) ισ ονε οφ τηε φυελ χελλ τψπεσ τηατ ισ υσυαλλψ οπερατεδβελοω 100Χ Ασ χαν βε σεεν ιν τηε σχηεµατιχ διαγραµ ιν Φιγυρε 1.3, τηε ηεαρτ οφ τηε ΠΕΦΧχοµπρισεσ α µεµβρανε (µ) ωηιχη ισ σανδωιχηεδ βετωεεν τωο χαταλψστ λαψερσ (χλ), γασ δι⁄υσιονλαψερσ (γδλ), οω ελδσ (⁄), ανδ βιπολαρ πλατεσ (βπ) Εσσεντιαλλψ, ηυµιδι εδ ηψδρογεν ισ φεδ
ιν τηρουγη τηε ανοδε χηαννελ ινλετ ιν ορδερ το µαινταιν µεµβρανε ηυµιδι χατιον, ωηιλεοξψγεν, ειτηερ πυρε ορ φροµ αιρ, ισ φεδ ιν τηρουγη τηε χατηοδε χηαννελ ινλετ Τηεν, βοτη φυελανδ οξιδαντ ωιλλ δι⁄υσε τηρουγη τηε γασ δι⁄υσιον λαψερ ανδ ναλλψ ρεαχτ ιν τηε χαταλψστ λαψερτηρουγη τηε φολλοωινγ ηαλφ−χελλ ρεαχτιονσ:
2Η2 ! 4Η++ 4ε Ατ τηε ανοδε χαταλψστ λαψερ
Ο2+ 4Η++ 4ε ! 2Η2Ο Ατ τηε χατηοδε χαταλψστ λαψερΤηε µεµβρανε αχτσ ασ αν ελεχτριχαλ ινσυλατορ βυτ αν ιονιχ χονδυχτορ, αλλοωινγ φορ τηετρανσπορτ οφ προτονσ φροµ τηε ανοδε χαταλψστ λαψερ το τηε χατηοδε χουντερπαρτ Ασ προτονσµοϖε, τηεψ τενδ το δραγ ωατερ µολεχυλεσ ωιτη τηεµ τηρουγη ελεχτροοσµοτιχ δραγ Ιν τηεχατηοδε χαταλψστ λαψερ, τηε προτονσ ρεαχτ ωιτη ελεχτρονσ ανδ γενερατε ωατερ ασ α βψ−προδυχτ.Ωατερ χαν αλσο βε τρανσπορτεδ τηρουγη τηε µεµβρανε ϖια χονϖεχτιον ανδ δι⁄υσιον
Τηε δι⁄ερεντ λαψερσ ασ ιλλυστρατεδ ιν Φιγυρε 1.3 ηαϖε τηε φολλοωινγ φυνχτιοναλιτιεσ:
Trang 35Υνχερταιν µαρκετ ιµπλεµεντα−τιον ανδ τεχηνιχαλ δεϖελοπµεντ;βαλανχινγ αχτ οφ Ρ&∆ ανδ µαρ−κετινγ/σαλεσ το σηιφτ φροµ Ρ&∆ τοχοµµερχιαλ προδυχτ
Σψστεµ ιντεγρατιον ρεσπονσιβιλιτψ;εδυχατιον οφ ΟΕΜσ; δεπενδ ονΟΕΜ το βρινγ το µαρκετ
Χοµπλεξιτψ Νυµερουσ χοµπονεντσ ανδ ηιγη
δεγρεε οφ ιντερδεπενδενχε βε−
τωεεν τηε χοµπονεντ; βροαδσχοπε οφ κνοωλεδγε ρεθυιρεδ
Χοµπετενχε αλλοχατιον ανδ δεϖελ−οπµεντ χηαλλενγεσ; χοµβινεδ σκιλλφορ τεχηνολογψ ανδ προδυχτ δεϖελ−οπµεντ
∆εµονστρατιον οφ ϖαλυεσ; νοϖελ τοχυστοµερ; χηαλλενγινγ το υνδερ−στανδ χονσυµερ δεµανδσ ανδ εξ−πλαιν τεχηνολογψ
τρψ
Χηαλλενγινγ το συρϖιϖε; ρεσουρχεαλλοχατιον ανδ παρτνερσηιπ φορµα−
τιον
Υνχερταιν δεϖελοπµεντ; ρεσουρχεανδ χοµπετενχε δεϖελοπµεντ
Λοω ρετυρν ον
ηιγη ινϖεστµεντ
Ηιγη ινϖεστµεντ ον Ρ&∆, νοτσελφ−συππορτινγ; λονγ παψβαχκ πε−
ριοδ
∆επενδενχε ον ΟΕΜσ ανδ ϖεν−τυρε χαπιταλ φορ χαπιταλ; λονγ πε−ριοδ οφ εξπεριµεντατιον ανδ νιχηεµαρκετ αχχυµυλατιον
Ηετερογενεουσ
στρατεγιεσ
∆ι⁄ερεντ µαρκετ αππλιχατιονστρατεγιεσ
∆εχισιονσ ον µαρκετ βρεαδτη ανδτεχηνολογψ συππλψ
Trang 361.4 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ 10
Φιγυρε 1.3: Σχηεµατιχ οφ α ΠΕΦΧ
Μεµβρανε: Τηε µεµβρανε σεπαρατεσ τηε ανοδε ανδ χατηοδε ρεγιονσ ανδ αχτσ ασ αβαρριερ το πρεϖεντ φυελ ανδ ρεαχταντ χροσσοϖερ Τηε κεψ χηαραχτεριστιχ οφ τηε µεµβρανε
ισ ιτσ αβιλιτψ το τρανσπορτ προτονσ φροµ τηε ανοδε το τηε χατηοδε Τηε µεµβρανε
ισ υσυαλλψ µαδε φροµ τηε περυοροσυλπηονιχ αχιδ ιονοµερ (ΠΣΑ) Τηισ ισ εσσεντιαλλψ
α χοπολψµερ οφ τετραυορετηψλενε (ΤΦΕ) ανδ ϖαριουσ περυοροσυλφονατε µονοµερσ.Τηε βεστ−κνοων µεµβρανε µατεριαλ ισ Να ον βψ ∆υποντ [32], ωηιχη υσεσ περυορο−συλφονψλυοριδε ετηψλ−προπψλ−ϖινψλ ετηερ (ΠΣΕΠςΕ); α ρεϖιεω οφ τηε να ον µεµβρανε
βψ Μαυριτζ ανδ Μοορε χαν βε φουνδ ιν [33] Ανοτηερ µεµβρανε χανδιδατε ηασ βεενδεϖελοπεδ βψ ∆οω Χηεµιχαλ Ω.Λ Γορε ανδ Ασσοχιατεσ χαλλεδ ΓορεΤΜ [34], ωηιχη
ισ α χοµποσιτε µεµβρανε µαδε υπ οφ α Τεον−λικε χοµπονεντσ προϖιδινγ µεχηανιχαλστρενγτη ανδ διµενσιοναλ σταβιλιτψ, ανδ α περυοροσυλφονιχ αχιδ χοµπονεντ το προϖιδεπροτονιχ χονδυχτιϖιτψ Ιν αδδιτιον, τψπιχαλ τηιχκνεσσ ρανγε φορ µεµβρανε ισ φροµ 50
µ το 254 µ [35] Τηε µεχηανισµ οφ προτον τρανσπορτ τηρουγη α µεµβρανε ισ τηατ
οφ α πορουσ νετωορκ οφ φρεε ϖολυµε ωαλλεδ βψ συλφονιχ αχιδ γρουπσ Ιν τηε πρεσενχε οφ
Trang 371.4 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ 11συ′χιεντ λιθυιδ ωατερ, τηε προτον δισσοχιατεσ φροµ τηε συλφονιχ αχιδ γρουπσ ανδ φορµηψδρονιυµ χοµπλεξεσ (Η3Ο+) ωηιχη αρε µοβιλε ασ ιν αθυεουσ ελεχτρολψτεσ Τηερεφορε,τηε ιονιχ χονδυχτιϖιτψ οφ µεµβρανε χαν βε αλµοστ ασ ηιγη ασ φορ αθυεουσ ελεχτρολψτεσβυτ ισ στρονγλψ δεπενδεντ ον τηε µεµβρανε ωατερ χοντεντ Τηε ηιγηερ τηε ωατερχοντεντ τηε βεττερ τηε χονδυχτιϖιτψ Πολψµερ ελεχτρολψτε µεµβρανε ισ χηαραχτεριζεδ ιντερµ οφ ωατερ υπτακε ισοτηερµ, ωηιχη σπεχιφψ τηε αµουντ οφ ωατερ χοντεντ περ συλφονιχαχιδ γρουπ ασ α φυνχτιον οφ ωατερ αχτιϖιτψ [33].
Χαταλψστ λαψερ: Τηε χαταλψστ λαψερ ισ α πορουσ στρυχτυρε ωιτη αν ελεχτριχαλλψ χονδυχτιϖεσυβστρατε Α τριπλε−πηασε βουνδαρψ (ελεχτρολψτε, σολιδ ανδ γασ) εξιστσ ατ τηε αχτιϖελαψερ το αλλοω τηρεε δι⁄ερεντ σπεχιεσ (ελεχτρονσ, προτονσ ανδ γασεσ) το τακε παρτ ιντοτηε ελεχτροχηεµιχαλ ρεαχτιονσ Τηε µοστ χοµµον χαταλψστ ιν ΠΕΦΧ ισ πλατινυµ (Πτ)
Ιν τηε εαρλψ δαψσ οφ ΠΕΦΧ δεϖελοπµεντ, λαργε αµουντσ οφ Πτ χαταλψστ ωερε ρεθυιρεδ
υπ το 4 µγ χµ 2 [36] Νοωαδαψσ, ηοωεϖερ, σιγνι χαντ σµαλλερ αµουντσ οφ Πτ ωηιχη
ισ υπ το 0:014 µγ χµ 2 [37, 38] αρε εµπλοψεδ ιν τηε φορµ οφ αλλοψσ, χαρβον συππορτεδπλατινυµ (Πτ/Χ) ορ ιν χοµβινατιον ωιτη ανοτηερ µεταλ, συχη ασ πλατινυµ/ρυτηενιυµ
ορ πλατινυµ/µολψβδενυµ Τηε αµουντ οφ πλατινυµ χουλδ τηυσ βε ρεδυχεδ, ασ ιτ ισ νοττηε αµουντ οφ Πτ λοαδινγ βυτ αϖαιλαβιλιτψ ανδ σιζε οφ ελεχτροχηεµιχαλ αχτιϖε αρεα οφ Πττηατ ισ ιµπορταντ [39] Ιν γενεραλ, τηε τψπιχαλ τηιχκνεσσ φορ τηε αχτιϖε λαψερ ισ αρουνδ
10 50 µ [40]
Γασ δι⁄υσιον λαψερζ: Τηε τψπιχαλ µατεριαλσ υσεδ αρε χαρβον παπερ ανδ χαρβον χλοτη.Τηεσε αρε πορουσ µατεριαλσ τηατ ηαϖε το περφορµ σεϖεραλ φυνχτιονσ: προϖιδε στρυχτυραλσυππορτ φορ τηε αχτιϖε λαψερ; αλλοω τρανσπορτ οφ ρεαχταντ γασεσ το τηε αχτιϖε λαψερσ; τρανσ−πορτ ωατερ το κεεπ τηε µεµβρανε συ′χιεντλψ ηψδρατεδ ωηιλστ σιµυλτανεουσλψ αϖοιδινγ
οοδινγ χονδιτιονσ; τρανσπορτ ελεχτρονσ φροµ ανδ το τηε βιπολαρ πλατε; ανδ προϖιδεηεατ ρεµοϖαλ φροµ τηε αχτιϖε λαψερ Α χοµπρεηενσιϖε ρεϖιεω οφ τηε χηαραχτεριστιχσ οφ
Τηισ λαψερ ισ αλσο χοµµονλψ ρεφερρεδ το ασ τηε αχτιϖε λαψερ.
ζ Τηισ λαψερ ισ αλσο κνοων ασ πορουσ βαχκινγ ορ δι⁄υσιον µεδια
Trang 381.4 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ 12
Φιγυρε 1.4: Τψπιχαλ οω ελδ χον γυρατιονσ: α) παραλλελ; β) σερπεντινε; χ) ιντερδιγιτατεδ
γασ δι⁄υσιον λαψερ ηασ βεεν γιϖεν βψ Χινδρελλα ετ αλ [41]
Φλοω ελδ: Φλοω χον γυρατιονσ χοµπρισινγ οφ χηαννελσ χοµε ιν τηε φορµ οφ νυµερ−ουσ δεσιγνσ, ε.γ., παραλλελ χο−οω, παραλλελ χουντερ−οω, σερπεντινε ανδ ιντερδιγιτατεδ,ετχ, ασ σηοων ιν Φιγυρε 1.4 Χοµβινατιονσ οφ τηεσε αρε αλσο ποσσιβλε, ε.γ παραλλελχηαννελσ αρρανγεδ ιν α σερπεντινε παττερν Ανοτηερ ποσσιβιλιτψ ισ το εµπλοψ α πορουσ
οω ελδ συχη ασ µεταλ φοαµ Τηε αδϖανταγε οφ α πορουσ οω ελδ ισ τηατ τηε ωηολεπορουσ βαχκινγ ηασ αχχεσσ το ρεαχταντσ ασ χοµπαρεδ το µαχηινεδ οω χηαννελσ τηατηαϖε ∀δεαδ∀ ρεγιονσ βετωεεν χηαννελσ Ηοωεϖερ, πορουσ οω ελδ ηασ προβλεµσ ωιτηχορροσιον, ιντερφαχιαλ χονταχτ ρεσιστανχε ανδ τιγητ τολερανχε [42] ςαριουσ δεσιγνσ ανδχοµβινατιον οφ οω ελδ χαν βε φουνδ ιν ρεϖιεω παπερ βψ Λι ανδ Σαβιρ [43]
Βιπολαρ πλατε: Τηε ρολε οφ τηε βιπολαρ πλατε ισ το προϖιδε α πατηωαψ φορ ρεαχταντ ανδπροδυχτ γασ τρανσπορτ (ανδ λιθυιδ ιφ ωατερ χονδενσεσ ουτ) ασ ωελλ ασ φορ ελεχτρονσ,σεπαρατε τηε ινδιϖιδυαλ χελλσ ιν τηε σταχκ, ανδ προϖιδε χοολινγ πασσαγεσ Χοµµονµατεριαλσ φορ βιπολαρ πλατεσ ινχλυδε γραπηιτε, µεταλσ, ανδ χοµποσιτε µατεριαλσ τηατµεετ τηε ρεθυιρεµεντσ οφ ηιγη ελεχτριχαλ χονδυχτιϖιτψ, ιµπερµεαβιλιτψ το γασεσ, ηιγητηερµαλ χονδυχτιϖιτψ, ανδ ηιγη χορροσιον ρεσιστανχε Ρεϖιεω ον τηεσε βιπολαρ πλατεσχαν βε φουνδ ιν [44, 45, 46, 47, 48]
Trang 391.4 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ 13
Χυρρεντ χολλεχτορ: Τηε χυρρεντ χολλεχτορ ισ υσυαλλψ πλαχεδ ατ τηε τοπ ανδ βοττοµ οφ τηεφυελ χελλ σταχκ το χολλεχτ τηε χυρρεντ Χοµµον µατεριαλσ φορ τηε χυρρεντ χολλεχτορ αρεµεταλσ ωιτη ηιγη ελεχτριχαλ χονδυχτιϖιτψ συχη ασ αλυµινυµ, σταινλεσσ στεελ, ανδ γολδ
Ιν ορδερ το µεετ τηε ρεθυιρεδ ποωερ νεεδεδ φορ αππλιχατιονσ, α νυµβερ οφ σινγλε χελλσ, ρανγινγφροµ τωο χελλσ το ηυνδρεδσ οφ χελλ, αρε υσυαλλψ χοννεχτεδ ιν σεριεσ το φορµ α σταχκ ασ ιλλυστρατεδ
ιν Φιγυρε 1.5 Τηε δεσιγν οφ α φυελ χελλ σταχκ ρεθυιρεσ χαρεφυλ χονσιδερατιον οφ σεϖεραλ φαχτορσ:ποωερ ρεθυιρεµεντ οφ τηε αππλιχατιον; οϖεραλλ ϖολταγε δεσιρεδ; σπαχε αϖαιλαβλε; ωειγητ; δεσιρεδσταχκ ε′χιενχψ Ηοωεϖερ, σοµε οφ τηεσε ρεθυιρεµεντσ αρε ιν χονιχτ ωιτη εαχη οτηερ Ονεεξαµπλε οφ τηισ χαν βε φουνδ ιν αυτοµοτιϖε αππλιχατιονσ, ωηερε σπαχε ισ λιµιτεδ ανδ ωειγητηασ το βε κεπτ ατ α µινιµυµ Τηισ ιν τυρν ρεστριχτσ τηε ποωερ οφ τηε φυελ χελλ σταχκ συχητηατ α χοµπροµισε βετωεεν τηεσε φαχτορσ ηασ το βε φουνδ
Τηε οπερατιον οφ α φυελ χελλ ορ σταχκ ρεθυιρεσ α µυλτιτυδε οφ συππορτινγ σψστεµσ Βεσιδεσ τηεφυελ χελλ/σταχκ, ωηιχη ισ τηε ηεαρτ οφ τηε σψστεµ, οτηερ χοµπονεντσ συχη ασ τηε χοµπρεσσορ,φυελ στοραγε, ηυµιδι ερ, χοολινγ σψστεµ, ποωερ χονδιτιονινγ, ινστρυµεντατιον, ανδ χοντρολαρε νεεδεδ το φορµ τηε τοταλ σψστεµ Τηερεφορε, βοτη τηε φυελ χελλ σταχκ ανδ τηε συππορτινγχοµπονεντσ, ασ ιλλυστρατεδ ιν Φιγυρε 1.6, ωιλλ α⁄εχτ τηε σψστεµ περφορµανχε, ε′χιενχψ, τοταλχοστ ανδ σψστεµ δυραβιλιτψ Τηε βαλανχε οφ σταχκ ανδ σψστεµ χοµπονεντσ πλαψσ αν ιµπορταντρολε ιν φυελ χελλ δεϖελοπµεντ
ΠΕΦΧ περφορµανχε ισ γενεραλλψ σηοων ιν τηε φορµ οφ σο−χαλλεδ πολαριζατιον χυρϖεσ, ωηιχηρεπρεσεντ τηε χυρρεντ δενσιτψ ϖερσυσ χελλ ϖολταγε οφ τηε χελλ ορ σταχκ Α τψπιχαλ ΠΕΦΧ πολαρ−ιζατιον χυρϖε ισ σηοων ιν Φιγυρε 1.7 Εσσεντιαλλψ, τηε πραχτιχαλ ΠΕΦΧ ε′χιενχψ ωιλλ βε λεσσ
Trang 401.4 Πολψµερ ελεχτρολψτε φυελ χελλ 14
Φιγυρε 1.5: Σχηεµατιχ οφ α) ΠΕΦΧ σταχκ; β) σινγλε χελλ; χ) αγγλοµερατε χαταλψστ λαψερ
Φιγυρε 1.6: Αν εξαµπλε οφ τψπιχαλ ΠΕΦΧ σψστεµ [42]