شبیه سازی سه بعدی پیل سوختی غشاء پلیمری (تبادل پروتونی )و بررسی تاثیر شرایط هندسی و محیطی بر عملکرد و تغییر میزان گونه ها در پیل سوختی
چکیده
در این پایان نامه? پیل سوختی غشاء پلیمری (تبادل یونی) با کانال های گازی که سطح مقطع آنها مربعی است به عنوان مدل پایه انتخاب شده و بصورت عددی (سه بعدی) مدل سازی شده است.این شبیه سازی که بصورت غیر همدما می باشد با داده های آزمایشگاهی معتبر موجود اعتباردهی شده است. شرایط عملکرد پیل کاملا" پایدار و به دلیل پایین بودن گرادیان سرعت (و به تبع آن کم بودن عدد رینولدز) رژیم جریان آرام می باشد.تمامی واکنش دهنده ها و محصولات بصورت گاز ایده آل فرض شده اند. در تحقیق حاضر،به بررسی پارامتر های حاکم بر پیل سوختی پرداخته شده و تاثیر هر یک از پارامترها از قبیلِ تغییر ولتاژ کارکرد بررسی شده است.نتایج عددی نشان می دهند که با افزایش ولتاژ شدت واکنش به تدریج کاهش یافته و بیشینه دمای پیل کمتر می شود. در ولتاژهای بالا دمای پیل نسبتا" بالاست اما در انتهای پیل در این ولتاژها دما افت شدیدتری را از خود نشان می دهند. در بخشی دیگر? به بررسی تاثیر دمای کارکرد و ضریب تخلخلِ غشاء بر عملکرد پیل و همچنین تمرکز گونه ها پرداخته شده است. اگر گازهای ورودی کاملا" مرطوب باشند،با افزایش دمای کارکرد عملکرد پیل سوختی افزایش می یابد.اگر رطوبت گازها کمتر از میزان لازم باشد،خشک شدن غشاء باعث کاهش قابلیت هدایت پروتونی غشاء می شود و در نتیجه عملکرد پیل کاهش می یابد.در مدل مورد مطالعه شاهد آن هستیم که افزایش ضریب تخلخل غشاء باعث کاهش کارایی پیل سوختی می شود. افزایش ضریب تخلخل غشاء منجر به افزایش دسترسی به اکسیژن در لایه کاتالیست میشود? ولی با این وجود افزایش ضریب تخلخل غشاء تاثیر معکوس بر روی رسانش الکترونها دارد و باعث افزایش مقاومت تماسی می شود. در هر صورت? تاثیر منفی افزایش ضریب تخلخل غشاء تاثیرگذارتر بوده و باعث کاهش عملکرد پیل سوختی می شود. تغییرات هندسی در ساختمان پیل سوختی از جمله موارد مهم تاثیر گذار بر عملکرد پیل است. ابتدا تاثیر هندسه ذوزنقه در کانال گاز بر عملکرد پیل بررسی شده است. برای بررسی تاثیر هندسه ذوزنقه میزان ولتاژ خروجی برای جریان ثابت 2.295a.cm?2 مقایسه شده است. همانطورکه مشاهده می شود در یک جریان ثابت ولتاژ خروجی در حالت پایه بطور قابل ملاحظه ای بیشتر از حالت ذوزنقه می باشد. مشاهده می شود که با تغییر هندسه کانال عملکرد پیل کاهش می یابد.در ضمن تاثیر افزایش اندازه عرض کانال بر عملکرد پیل مطالعه شده است. مشاهده می شود که با افزایش عرض کانالها بدلیل افزایش افت اهمی عملکرد پیل کاهش می یابد. درنهایت کانالهای گاز از حالت مربعی مستقیم به مربعی شیبدار تغییر داده شده است. نتایج نشان دادند که بدلیل افزایش سرعت جریان و درنتیجه افزایش نفوذ گونه ها و همچنین افزایش رسانش پروتونی عملکرد پیل نسبت به مدل اصلی بهبود پیدا می کند.