بخشی از مقاله
خلاصه
بحران انرژی یکی از مباحثی است که همواره مورد توجه جوامع امروز بشری میباشد. از طرفی استفاده از انرژیهای نو و سیستمهای تبدیل انرژی با بازده بالا و آلودگی کم همانند پیلهای سوختی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به هزینه و زمان بر بودن ساخت پیلهای سوختی، طراحی و شبیهسازی آنها از اهمیت بسیاری برخوردار است. یکی از راههای بررسی پیلهای سوختی، بهکارگیری نرمافزار متلب میباشد. محیط شبیهسازی این نرمافزار این قابلیت را به کاربر میدهد تا انواع پیلهای سوختی را بهطور دقیق مورد بررسی قرار دهد. در این مقاله، تحلیل و مدلسازی یک پیلسوختی پلیمری 6 کیلووات با نرخ سوخت متغیر در محیط سیمیولینک متلب مورد مطالعه قرار گرفته است.
.1 مقدمه
امروزه مسئله بحران انرژی و آلودگیهای محیطی بیشتر از هر زمانی مهم و حیاتی شده است. بهمنظور کاهش استفاده از سوختهای فسیلی، پیلهای سوختی که انرژی شیمیایی مواد را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند، بسیار مورد توجه قرارگرفته است
در حال حاضر پیلهای سوختی بیشتر از هرزمانی به تجاری شدن نزدیک میباشند و این توانایی را دارند که تمامی انرژی مورد نیاز دنیا که با محیط زیست سازگاری کامل دارند، را تأمین کنند .[2] از بین انواع مختلف پیلسوختی، پیلسوختی غشا پلیمری ویژگیهای منحصربه فردی از قبیل دمای عملیاتی پایین، پاسخ سریع، ماندگاری بالا و چگالی توان بالا را دارا میباشد
برای ساخت و پیادهسازی پیلهای سوختی میبایست هزینه و زمان زیادی را صرف کرد. یکی از سادهترین راهها مشاهده عملکرد پیلهای سوختی در شرایط مختلف، طراحی و شبیهسازی آنها میباشد.
در سیستم دینامیکی پیلسوختی پلیمری مدل شده و کنترلکننده فازی برای ثابت نگهداشتن ولتاژ خروجی طراحیشده است. در یک پیلسوختی 5 کیلووات که برای استفاده در سیستمهای قدرت مناسب است طراحی و شبیهسازی شد.
درمدل پیل-سوختی پلیمری ابتدا برای یک سلول و سپس برای یک استک با تعداد 20 سلول یا توان 300 وات طراحی و شبیهسازی شده است.
در مدل سه بعدی برمبنای CFD برای توزیع یکنواخت گازهای واکنشدهنده از ورودی تا خروجی پیلسوختی پلیمری ارائه شده است. در [8] از روش VOF** برای بررسی عددی جریان دوفازی در کانالهای گاز سمت آند پیلسوختی پلیمری استفاده شده است.
در مدلی برمبنای CFD و VOF برای بررسی حرکت قطرات آب در کانالهای پیلسوختی پلیمری توسعه داده شده است.
در یک مدل دینامیکی سه بعدی برای بررسی رفتار گذرا و مشخصات دینامیکی یک پیلسوختی پلیمری ارائه شده است. برای بررسی تأثیر رطوبت نسبی، استوکیومتری نرخ دبی و طول کانال بر عملکرد یک پیلسوختی پلیمری توسط یک مدل دو بعدی در [11] ارائه شده است. مدلی یک بعدی برای بررسی تأثیر رطوبت نسبی بر عملکرد پیلسوختی پلیمری در [12] توسعه داده شده است، این مدل توسط تصویربرداری نوترونی صحتسنجی شده است.
در مرجع [13] از یک مدل عددی برای بهینهسازی ابعاد کانال جریان، بهمنظور بهبود عملکرد پیلسوختی پلیمری استفاده شده است. در کارهای ارائه شده، مدل و دینامیک پیلهای سوختی مورد بررسی و شبیهسازی قرارگرفته است. در این مقاله قسمتها و پارامترهای مهم طراحی پیلسوختی تشریح شده و یک پیلسوختی پلیمری 6 کیلووات با نرخ سوخت ورودی متغیر طراحی و در محیط سیمولینگ نرمافزار متلب مدلسازی شده است.
.2 پیلسوختی غشا پلیمری
پیلسوختی غشا پلیمری یکی از معروفترین نوع پیلسوختی میباشد که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده میکند. پیلسوختی پلیمری از الکترود منفی - آند - ، الکترود مثبت - کاتد - و غشا الکترولیت تشکیل شده است. مولکولهای هیدروژن در سمت آند به یونهای پروتون و الکترون یونیزه شده تبدیل میشوند. یونهای هیدروژن که شامل بارهای مثبت - پروتون - هستند به سطح غشا متخلخل نفوذ میکنند و به سمت کاتد میروند. الکترونهای جدا شده نمیتوانند از این غشا عبور کنند بلکه از یک مدار خارجی عبور کرده و موجب تولید برق میشوند. در سمت کاتد، الکترونها، پروتونهای هیدروژن و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیب میشوند و حاصل این ترکیب، تولید آب و گرما میباشد واکنشهای شیمیایی پیلسوختی پلیمری در سمت آند، کاتد و واکنش کلی به صورت روابط - 1 - الی - 3 - است.
شکل -1 پیکربندی اجزای پیلسوختی غشا پلیمری
.1-2 پیلسوختی پلیمری 6 کیلووات
اطلاعات مربوط به یک پیلسوختی پلیمری 6 کیلووات، 45 ولت در جدول 1 ارائه شده است. نرخ مصرف هیدروژن به صورت رابطه - 4 - تعیین میشود.
که در آن R ثابت جهانی گازها - - ، T دمای عملیات - کلوین - ، N تعداد سلولها، جریان پیلسوختی - آمپر - ، z تعداد الکترونهای متحرک، F=96485، فشار مطلق منبع سوخت - اتمسفر - ، نرخ دبی سوخت - لیتر بر دقیقه - و x درصد اکسیژن موجود در هوا میباشد. نرخ دبی سوخت موجود در رابطه - 4 - بهصورت رابطه - 5 - تعیین میگردد.
.4 شبیه سازی
در این قسمت یک پیلسوختی پلیمری 6 کیلووات 45 ولت بررسی و شبیهسازی شده است. ولتاژ نامی، جریان نامی، تعداد سلولها و راندمان نامی این پیلسوختی به ترتیب برابر 45 ولت، 133/3 آمپر، 65 عدد و 55 درصد میباشد. نرخ تغییرات سوخت را بهعنوان سیگنال متغیر ورودی و درصد مصرف اکسیژن و هیدروژن، نرخ مصرفی هوا و سوخت، راندمان، ولتاژ و جریان استک به عنوان سیگنالهای خروجی در نظر گرفته شده است.
