مدل سازی و بهینه سازی دوفاز و غیر هم دمای پیل سوختی پلیمری
چکیده
در پایان نامه حاضر، جریان دوفازی، غیر هم دما و غیر هم فشار در پیل سوختی پلیمری مدل سازی شده است. معادلات حاکم شامل معادلات بقاء جرم، بقاء مومنتم و بقاء انرژی در اجزای مختلف پیل سوختی است که توسط روش تفاضل محدود حل شده اند. جهت بررسی صحت مدل سازی، منحنی عملکرد پیل سوختی با نتایج تجربی و منحنی توزیع دما با نتایج موجود در مقالات مقایسه شده است که از دقت قابل قبولی برخوردارند. نتایج مدل سازی نشان داد که افزایش فشار مخلوط گاز در کانال کاتد، باعث مرطوب شدن بیشتر غشاء و کاهش افت اهمی می شود. علاوه بر این، فشار جزئی اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد بیشتر شده و عملکرد پیل سوختی ارتقاء می یابد. بر خلاف کاتد، افزایش فشار آند، افت اهمی در غشاء را افزایش داده و باعث کاهش ولتاژ خروجی از پیل سوختی می شود. منحنی توزیع دما در طول پیل سوختی نشان داد که بیشترین دما در غشاء و در سمت کاتالیست کاتد است که محل وقوع واکنش الکتروشیمیایی است. با افزایش فشار گاز در کانال کاتد، اختلاف دمای کانال با دمای بیشینه، کمتر می شود. اثر افزایش فشار گاز در کانال آند روی توزیع دما، بر خلاف کاتد است و با افزایش فشار آند دما در پیل سوختی افزایش می یابد. همچنین، مقادیر بهینه ضریب تخلخل الکترودها، ضخامت لایه های نفوذی گاز و رطوبت نسبی ورودی به کاتد با استفاده از الگوریتم های فرا ابتکاری بهینه سازی (ژنتیک، آنیل شبیه سازی شده و جستجوی الگویی) محاسبه شده است. بهینه سازی با در نظر گرفتن چگالی قدرت پیل سوختی به عنوان تابع هدف انجام شده است. در تحقیق حاضر، الگوریتم آنیل شبیه سازی شده به عنوان بهترین روش بهینه سازی پارامترهای جریان دوفازی شناخته شده است. مقدار بهینه ضریب تخلخل الکترودها 0.44، ضخامت لایه-های نفوذی گاز 0.24 میلی متر و رطوبت نسبی 99 درصد محاسبه شده است. در چگالی جریان ثابت (1 آمپر بر سانتی متر مربع)، چگالی قدرت پیل سوختی در حالت بهینه، 6 درصد نسبت به حالت پایه افزایش داشته است.