استفاده از مواد جایگزین و کار آمدتر موضوعی است که بسیاری از محققان در بررسی آن می کوشند . در حالت کلی استفاده از ابعاد مناسب ، استفاده از ماده مناسب و یک پیکر بندی صحیح برای پیل از جمله مـواردی است که در این قسمت قابل بررسی است.

پژوهشهای بســیاری در زمـینه یافتن ابعاد مناسب برای کانالهای تعبیه شده در صفحات الکتـرود موجود اسـت که به روش های مختلفی همچون تحلیلی ، تجربی ، شبیه سازی که در قالب دینامیک سیالات مورد مطالـعه قرار میگرد و ترکیب تحلیلی و تجربی به تحقیق پرداخته و هر کدام ابعادی مناسب پیشنهاد می کنند که بیــشترین راندمان در قدرت خروجی را دارا می باشند.
۱-۴ پژوهشهای انجام شده در مورد بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری
سلیمان^[۱] و همکارش ]۱[ در سال ۲۰۰۷ از روش تاگوچی که در سال ۱۹۸۰ توسط خود تاگوچی معرفی شد ، برای بهینه سازی پارامترهای فرآیندی استفاده کردند . استفاده از این روش تعداد آزمایشـات مورد نیاز را به طرز چشـم گیری کاهش داده و این سبب کاهش هزینه ها وکوتاهتر شدن زمان آزمایش می گردد . در روش تاگـوچی دو دسته پارامـتر موجود است ، پارامترهای قابل کنترل و پارامترهای غـیر قـابـل کنترل کـه اصطلاحا به آنان پارامترهای نویز گفته میشود . آن دسته از پارامترهایی که کنترل آنان بسیار سخت و هزینه بر است نیز جزو پارامترهای غیر قابل کنترل یا نویز به حساب می آید. سلیمان و همکارش ]۱[ در این آزمایشات پارامـترهای دمای کارکرد پیـل ، دمای رطوبت ، فشار کارکرد پیـل سوختی و نسـبت مصـرف سوخت در کاتد به آند را پارامترهای قابل کنترل در نظر گرفت و مقادیری را بعنوان مقادیر بهینه ارائه نمود و ادعا کرد که پیل سوختی در صورت عملکرد این مقادیر بیشترین راندمان خروجی را دارند.
بتی^[۲] و همکارانش ]۳[ وابستگی فشار و دما را در سطح مشترک کاتالیست و غشا مورد بررسی قرار دادند. کاپادونیا^[۳] و همکارانش ]۴[ وابستگی غشای نفیون ۱۱۷ را بعنوان تابعی از دما و مرطوبیت بررسی کردند. سرید‌هار^[۴] و همکارانش ]۵[ اثر رطوبت بر چگونگی عملکرد پیل سوختی پلیمری را تحقیق کردند و برای تحقیقات خود از یک سری آزمایشات مربوطه بهره گرفتند.
ونگ^[۵] و همکارانش ]۶[ اثرات پارامترهای عملکردی همچون دما و … را بر راندمان پیل‌های سوختی تحقیق کردند و بصورت عملی و آزمایشگاهی تأثیر این پارامترها را در حالت‌های مختلف نشان دادند. ونگ از هیدروژن خالص برای سوخت در طرف آند و از هوای معمولی در طرف کاتد استفاده کرد.
هیون^[۶] و همکارانش ]۷[ با توجه به آزمایشات عملی به تحقیق در مورد اثرات مرطوبیت بیرونی بر عملکرد پیل سوختی پرداختند.
هوانگ^[۷] و همکارانش ]۸[ به بررسی میزان تغییرات راندمان خروجی در ازای تغییرات پارامترهای عملکردی پرداختند و نتیجه آزمایشات خویش را ارائه کردند.
فرنگ^[۸] و همکارانش ]۹[ علاوه بر انجام آزمایشات عملی یک مدل تحلیلی ارائه کردند و با توجه به مدل تحلیل و آزمایشات عملی به بررسی میزان اثرات پارامترهای عملکردی و همچنین مشخصات جریان در کانال جریان گازی و لایه پخش‌کننده گاز پرداختند.
سانتارلی^[۹] و همکارانش ]۱۰[ بر روی میزان مرطوبیت پیل سوختی در حالت اشباع و بدون مرطوبیت و همچنین میزان فشارهای واکنشگرها بصورت آزمایشگاهی تحقیق کرده و در نهایت نتایج خود را بعنوان مقادیر مناسب برای پارامترهای پیل سوختی درنظر گرفته و نتایج خویش را ارائه نمودند.
تیسیالنی^[۱۰] و همکارانش ]۱۱[ یک سری آزمایشات در جهت افزایش راندمان پیل سوختی انجام دادند و در مقادیری خاص تاثیر این پارامترها را بر عملکرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند.
وهدامه^[۱۱] و همکارانش ]۱۲[ با بهره گرفتن از یک سری آزمایشات تجربی به مطالعه اثرات فشار گاز و نرخ جریان گازی در یک پیل سوختی w500 پرداختند.
لی^[۱۲] و همکارانش ]۱۳[ با ارائه یک مدل همدما و پایدار از پیل سوختی پلیمری به بررسی واکنش‌های پیل و شرایط بهینه عملکردی پارامترها پرداختند.
جردان^[۱۳] و همکارانش ]۱۴[ اثر پارامترهای لایه پخش گازی را بر عملکرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند. موتو پالی^[۱۴] و همکارانش ]۱۵[ اثرات نفوذ آب بر غشایی از جنس نفیون ۱۱۵ را مورد مطالعه قرار دادند. چندین تحقیق ]۱۸-۱۶[ با بهره گرفتن از مدل‌های شبیه‌سازی شده از پیل سوختی پلیمری، به بررسی عملکرد سمت کاتد و عملکرد کاتالیست بعنوان تسریع بخش واکنش‌ها و همچنین مدیریت آب و حرارت در پیل سوختی پرداختند.
۱-۵ بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری
از بین پارامترهای فرآیندی که پیش از این به آن پرداخته شد، چندین پارامتر از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند و در میزان راندمان خروجی و چگونگی عملکرد پیل سوختی مؤثرند که می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
دمای کارکردی پیل سوختی
فشار سمت آند
فشار سمت کاتد
بیش از %۹۰ پژوهشهای انجام شده در این زمینه فقط بصورت عملی و آزمایشگاهی بوده است. انجام آزمایشات متعدد برای یافتن مقادیر بهینه برای پارامترهای فوق بسیار مفید است ولی به دلیل هزینه بسیار بالا و همچنین زمان بر بودن آزمایشات، پژوهشگران به ناچار در تعداد مقادیر مشخص از پارامتر ها تست ها را انجام داده و بر اساس مقایسه نتایج ، مقادیری را به عنوان مقادیر بهینه گزارش می کنند. گرچه مقادیر آزمایش شده صحت بالاتری نسبت به مقادیر تحلیلی و … دارند ولی به این دلیل که تمامی دامنه مقادیر یا به عبارت دیگر تمامی فضای جستجو جهت ایجاد بالاترین راندمان مورد آزمایش قرار نگرفته نمی توان به قطعیت بر اساس تعداد آزمایش محدود مقادیر بهینه را ارائه کرد. سلیمان و همکارش ]۱[ تا حدی این مشکل را حل کردند و از روش تاگوچی برای بهینه سازی پارامترهای فرآیندی بهره گرفتند که در واقع ترکیبی از روش های آزمایشگاهی و روش های بهینه سازی بود و در مقایسه با پژوهشهای پیشین که همگی صرفا بر اساس تعدادی آزمایش محدود به بهینه سازی پارامتر های عملکردی می پرداختند، مزیت عمده ای داشت و قدرت جستجوی آن بسیار بالاتر از روش های صرفا آزمایشگاهی بود ولی باز هم روش ترکیبی فوق به دلیل ضعف روش تاگوچی در جستجوی تمام فضای طراحی خیلی کامل به نظر نمی آمد. اما در پژوهش حاضر در ابتکاری جالب از یک الگوریتم بهینه سازی بنام الگوریتم ژنتیک که تقریبا همه فضای جستجو را در جهت تعیین مقادیر بهینه مورد بررسی قرار می دهد، استفاده شده است. روش‌های متفاوتی برای بهینه‌سازی موجود است که الگوریتم ژنتیک را می‌توان در زمره بهترین‌ها قرار داد. در فصل سوم به تفصیل الگوریتم ژنتیک و چگونگی کاربرد آن در تحقیق حاضر و همچنین مقادیر به کار گرفته شده برای عملگرهای اصلی ژنتیک تشریح شده است. برای بررسی تمامی فضای جستجو ، تعداد حالات ممکن قابل بررسی با توجه به تعداد سه پارامتر، بسیار زیاد است به طوریکه انجام تمامی حالات ممکن با آزمایشات عملی اصلا ممکن نیست لذا از یک نرم افزار مدلسازی که بر اساس حل تحلیلی پیل سوختی عمل می کند به این منظور استفاده شد. مشکل عمده استفاده از مدلسازی با حل تحلیلی به جای آزمایشات، میزان دقت پاسخ ایجادی از حل تحلیلی در مقایسه با انجام آزمایشات است. برای سنجش میزان صحت پاسخ مدلسازی تحلیلی از نتایج یک سری آزمایشات عملی در جهت اعتبار سازی حل صورت گرفته استفاده شد. پس از مقایسه نتایج آزمایشگاهی و نتایج حاصل از حل تحلیلی، مقایسه ها نشان داد حل تحلیلی صورت گرفته دقت قابل قبولی داشته و برای بکارگیری در جهت سنجش مقادیر پارامترهای عملکردی پیل سوختی مناسب است. قابل ذکر است مقادیری از پارامترها به عنوان مقادیر بهینه در نظر گرفته می شود که در حل تحلیلی صورت گرفته مقدار ماکزیموم توان بیشتری داشته باشد. توضیح روش به کار گرفته شده از این نرم افزار و همچنین مقایسه نتایج آزمایشات و حل تحلیلی در فصل چهارم آورده شده است.
فصل دوم:
نگرشی بر پیلهای سوختی
۲-۱ تاریخچه مختصری از پیل‌های سوختی
تاریخچه توسعه پیل سوختی در شکل (۲-۱) نشان داده شده است.
 
شکل (۲-۱) روند توسعه پیل سوختی] ۲[
یک دانشمند انگلیسى به نام ویلیام گرو^[۱۵] در سال ۱۸۳۹(قرن ۱۹)، با ترکیب اکسیژن، هیدروژن و آب توانست جریان الکتریسیته تولید کند. فرایند یادشده در تولید جریان الکتریسیته بر عکس فرایند الکترولیز است که در آن براى شکستن آب به اجزاى سازنده آن، از جریان الکتریسیته استفاده مى شود. در سال ۱۹۳۷ دانشمندی دیگری از انگلستان بنام فرانسیس بیکن^[۱۶] بر روی یک پیل سوختی کاربردی فعالیت کرد و توانست یک پیل سوختی kw4 را تا قبل از سال ۱۹۵۰ بسازد. اولین کاربرد پیل سوختی قبل از سال ۱۹۶۰ میلادی در صنعت هوا- فضای ایالات متحده بود، در جایی‌که اولین پیل سوختی پلیمری در سفینه جمینی^[۱۷] وظیفه ایجاد جریان الکتریسیته را داشت.
پرت^[۱۸] و ویتنی^[۱۹] از پیل سوختی بیکن در سفینه جمینی الگوبرداری کرده و پیل سوختی دیگری را برای استفاده از سفینه آپولو^[۲۰] ساختند که این پیل سوختی وظیفه ایجاد جریان برق برای ارتباطات، هدایت و پشتیبانی سفینه را به عهده داشت. شکل (۲-۲) پیل سوختی به کار گرفته شده در سفینه آپولو را نشان می‌دهد.

شکل (۲-۲) پیل‌های سوختی در آپولو ] ۲ [
در اواسط دهه ۶۰ شرکت جنرال موتور هم به تحقیق در این زمینه پرداخت و درصدد توسعه این فن‌آوری برآمد. روند تکمیلی پیل سوختی تا سال ۱۹۹۰ در صنعت هواپیمایی آمریکا طی شد و در این مدت ایالات متحده در بکارگیری پیل‌های سوختی بعلت مزایای بالای آنان مبادرت ورزید.
در سال ۱۹۹۳ شرکت بالارد پاور سیستم^[۲۱] اولین خودرویی که با پیل سوختی پلیمری کار می‌کرد را تولید کرد. این خودرو در شکل (۲-۳) قابل مشاهده است.

شکل (۲-۳) خودرویی با سوخت هیدروژنی ]۲[
با ساخت اولین خودروی پیل سوختی، این فن‌آوری علاوه بر عرصه هوایی، به کاربردهای زمینی در ایالات متحده کشیده شد و کمپانی‌های خودروسازی در آمریکا به این فن‌آوری علاقه‌مند شدند و تحقیقات گسترده در این زمینه شدت گرفت.
امروز شرکت هاى ماشین سازى فراوانى در جهان، هزینه هاى هنگفت خود را صرف توسعه پیل سوختى ها مى کنند. شرکت فورد و شرکت بالارد پاور سیستمز که یک شرکت کانادایى و از پیشگامان استفاده از فناورى پیل سوختى است، حدود ۷۵۰ میلیون دلار در اجراى یک پروژه مشترک جهت توسعه تجارى وسایل نقلیه، سرمایه گذارى کرده اند و برنامه بعدى آنها سرمایه گذارى ۲/۱ میلیارد دلارى در زمینه ساخت خودروهایى با کاربرى پیل سوختى ها است. شرکت هاى تویوتا و جنرال موتور نیز درصدد رقابت در این زمینه هستند اما شاید اعمال استانداردهاى سخت نسبت به موتورهاى درون سوز، علت اصلى این همه رقابت و تلاش براى به کارگیرى فناورى پیل سوختى باشد. به گفته محققان، فناورى پیل سوختى در دهه گذشته از یک صنعت کوچک به یک صنعت بزرگ و رو به رشد تبدیل شده است. از دلایل این رشد ناگهانی، استفاده گسترده صنعت خودروسازى در ساخت موتورهاى هیبریدی (دوگانه سوز) است. شرکت هاى ماشین سازى میزان فروش خود را در گرو قیمت سوخت خودروها مى دانند و از این رو رویکرد آنها به سرمایه گذارى در این بخش، بیش از گذشته است.
در سال‌های گذشته این صنعت در آمریکا و ژاپن به شدت در حال افزایش است. شکل (۲-۴) میزان علاقه‌مندی و اهمیت پیل سوختی را در بین انجمن‌های مهندسی و دانشمندان نشان می‌دهد.

شکل (۲-۴) انتشارات ثبت شده سالانه در جامعه جهانی ] ۲ [
۲-۲ انواع پیلهای سوختی :
پیل‎های سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آن‎ها به پنج نوع اصلی طبقه بندی می‎شوند] ۲ [.
پیل سوختی قلیایی (AFC)
پیل سوختی الکترولیت پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون (PEMFC)
پیل سوختی اسید فسفریک (PAFC)
پیل سوختی کربنات مذاب (MCFC)
پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
۲-۲-۱ پیل‌های سوختی آلکالینی
در پیل‌های سوختی آلکالینی برای شرایط کاری دما بالا از هیدروکسید پتاسیم غلیظ و در دماهای پائین از هیدروکسید پتاسیم رقیق بعنوان الکترولیت استفاده می‌شود. علاوه بر هیدروکسید پتاسیم می‌توان از نیکل، نقره، اکسیدهای فلزی و فلزات خنثی نیز استفاده نمود. پیل‌های سوختی آلکالینی از دهه ۱۹۶۰ در برنامه‌های فضایی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
۲-۲-۲ پیلهای سوختی پلیمری
در این نوع از پیلهای سوختی از الکترولیتهای پلیمری استفاده می شود که از پلیمرهای دارای قابلیت عبوردهی پروتون می باشند . دمای کاری آنان بین ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد بوده و کانــــدیدای جدی برای جانشینی سوختهای فسیلی در خودروها به شمار می آیند . این نوع پیلهای ســـوختی دارای دو نوع متانولی و هیدروژنی هستند که در واقع نوع سوخت استفاده شده در آند متفاوت است.
۲-۲-۳ پیل‌های سوختی اسید فسفریکی
پیل‌های سوختی اسید فسفریکی از اسید فسفریک خیلی غلیظ بعنوان الکترولیت استفاده می‌کنند. اسید درون محفظه‌ای از جنس سیلیکون قرار گرفته و از پلاتینیوم بعنوان کاتالیست در آند و کاتد استفاده می‌شود. معمولاً دمای کاری آنها بین °c150 تا °c220 می‌باشد. امروزه از آن‌ها بعنوان ایستگاه‌های ثابت تولید الکتریسیته بصورت نیمه تجاری استفاده می‌شود.
۲-۲-۴ پیل‌های سوختی کربنات مذاب