بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر تک سل پیل سوختی پلیمري تحت شرایط سه- بعدي، همدما، تکفاز و پایدار مدلسازي شده است. یکی از عوامل مؤثر در عملکرد پیلهاي سوختی با غشاء پلیمري، نحوه رسیدن گاز-هاي واکنشگر به لایه کاتالیست از طریق کانالهاي انتقال گاز است، لذا هندسه کانال به طور قابل توجهاي در طراحی بهینه پیل سوختی تأثیر میگذارد. در مطالعه حاضر تأثیر تغییر هندسه سطح مقطع کانالهاي عبور جریان از حالت پایه مستطیل با حفظ مساحت به مربع، ذوزنقه، مثلث و نیم دایره بر روي عملکرد پیل سوختی مورد بررسی قرار گرفته است.
نتایج نشان میدهد در چگالی جریانهاي بالا کانال با مقاطع نیمدایره، مثلث و ذوزنقه به علت افزایش نفوذ اجزاء واکنشدهنده در لایه کاتالیست بهترتیب باعث افزایش عملکرد پیل به میزان %11، %7، %4/5 میشوند و کانال با مقطع مربع به علت کاهش نفوذ اجزاء واکنشدهنده سبب کاهش عملکرد پیل به میزان %8 نسبت به کانال مستطیلی میشود. نتایج عددي در مقایسه با داده هاي تجربی از تطابق خوبی برخوردار میباشد.
مقدمه
پیلهاي سوختی از نوع پلیمري به دلیل سادگی، شروع بهکار سریع و دامنه کاربردشان، بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. الکترولیت این نوع پیل سوختی یک غشاء پلیمري جامد است که به صورت یک ورقه باریک انعطاف پذیر می باشند. این غشاء کوچک و سبک میباشد و در دماي پایین کار می کند - دماي تقریبی 80 درجه سانتی گراد - . این نوع پیل سوختی به دلیل دماي پایین به زمان کمی براي راه اندازي نیاز دارد و همین خصوصیت آن را بهترین گزینه در کاربردهاي وسایل نقلیه بعنوان جایگزین براي موتور احتراق داخلی دیزلی و بنزینی معرفی مینماید مدلهاي عددي متعددي براي شبیهسازي عددي پیلهاي سوختی از زمان آغاز استفاده محققان از دینامیک سیالات محاسباتی توسعه و بهبود یافتهاند.
در سالهاي اولیه توان محاسباتی محدود بوده و در نتیجه تنها یک مدل عددي یک بعدي پیل سوختی پلیمري توسط برناردي[1] 1 توسعه یافت. ایشان با فرض ایزوتروپیک و همگن بودن غشا و الکترود نشان دادند که تأثیر ابعاد در ولتاژهاي پایین بیشتر است و در ولتاژهاي بالاتر اختلاف چندانی در چگالی جریان گرفته شده از پیل مشاهده نشد.
هندسه کانالهاي انتقال گازهاي واکنشگر میتواند در عملکرد پیل سوختی بسیار مؤثر باشد. در کانال صاف جریان سیال بدون اغتشاش در مسیر کانال حرکت نموده و به دنبال نفوذ آن به محیط متخلخل، در لایه کاتالیست مصرف میشود. توجه داریم که نرخ مصرف اکسیژن در لایه کاتالیست به طور مستقیم متناسب با نرخ تولید جریان الکتریکی پیل سوختی میباشد. .
پرنگ و همکاران ، تأثیر مانع مستطیلی شکل در کانال دو بعدي سمت کاتد را در عملکرد یک پیل سوختی پلیمري بررسی کردند. آنها نشان دادند که وجود مانع مستطیلی شکل در کانال سمت کاتد ضمن افزایش افت فشار، در بهترین حالت سبب افزایش بازده پیل در ولتاژ 0/2V می گردد.
اوم3 و وانگ[3] 4 ، تأثیر هندسه را در مدل تک سلولی خود که داراي فقط یک کانال در سمت کاتد و آند بود مورد توجه قرار دادند .آن ها انتهاي کانال را از سمت کاتد مسدود کردند تا تأثیر آن را مطالعه کنند و نشان دادند که جریان اجباري به وجود آمده در داخل پیل به دلیل مسدود بودن انتهاي آن، انتقال اکسیژن به طرف لایه ي کاتالیستی را افزایش داده و در نهایت منجر به افزایش چگالی جریان در داخل پیل می شود.
کو5 و ین[4] 6، تأثیر کانالهاي مواج مانند آند و کاتد را بر روي بازده پیل سوختی در حالت سه بعدي، پایدار و تک فاز بررسی کردند و نشان دادند که سرعت سیال در کانالها افزایش یافته که سبب واکنش بهتر در لایه هاي کاتالیست و در نهایت افزایش توان خروجی پیل سوختی می- گردد. با توجه به مباحث ذکر شده، هندسه کانالهاي انتقال گاز، یکی از عوامل موثر در عملکرد پیل سوختی پلیمري میباشد. هندسه کانالهاي انتقال گاز به طور قابل توجهی برروي دینامیک جریان عبوري از کانالهاي سمت آند و کاتد تأثیر میگذارد. بدین علت در مقاله حاضر به بررسی تأثیرات شکل هندسی سطح مقطع کانال بر عملکرد پیل سوختی پرداخته شد.
تعریف مدل
در این مقاله، مدل سهبعدي تک سل پیل سوختی پلیمري مورد بررسی قرار گرفته شد و تأثیر هندسه مقطع کانالهاي انتقال گاز به روي عملکرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین جزئیات حل عددي شامل انتخاب ناحیه حل،فرضیات مدل، شرایط مرزي، معادلات حاکم، حل و گسسته سازي و اعتبارسنجی نتایج تشریح میشود.
فرضیات مدل
پدیدههاي فیزیکی حاکم بر پیل سوختی بسیار پیچیده هستند. مدل کردن پیل سوختی مستلزم درك انتقال جرم، مومنتم و انرژي و همچنین واکنشهاي الکتروشیمیایی در پیل سوختی میباشد. براي ساده کردن مدلسازي عددي فرضیات زیر در نظر گرفته میشود:
- واکنش دهندههاي هیدروژن و هوا به صورت گاز ایدهآل رفتار می-کنند.
- جریان گازي در داخل کانالها، تراکمناپذیر و آرام میباشد.
- دماي پیل ثابت است.
- میزان تلفات اهمی در داخل بخش جامد لایه نفوذ گاز، لایه کاتالیست و جمعکننده جریان ناچیز میباشد.
- آب تولید شده به صورت ذرات بسیار ریز در نظر گرفته شده است، بنابراین در جریان گازي، پدیدهي انتقال و واکنشهاي شیمیایی تاثیري نمیگذارند - جریان تک فاز - .
معادلات حاکم
در این مدلسازي، تمام نواحی داخل پیل به صورت تک ناحیه7 و بدون شرایط مرزي داخلی بین نواحی مختلف، در نظر گرفته شده است که به این ترتیب براي حل نواحی مختلف داخل پیل، فقط از یک سري معادلات حاکم استفاده میشود. براي حالتی که پیل، دما ثابت در نظر گرفته میشود، معادلات حاکم عبارتند از: بقاي جرم، بقاي مومنتوم، بقاي گونهها و معادله پتانسیل الکتریکی - بقاي بار الکتریکی - که توسط روابط - 1 - تا - 5 - توصیف میشوند .[5]
در رابطههاي فوق،Ck غلظت گونهها، P فشار، u بردار سرعت،eمیزان تخلخل، f پتانسیل الکتریکی و sهدایت الکتریکی میباشد.
Su ، Sk ، Smem و Ssol به ترتیب عبارت منبع معادلات مومنتوم، بقاي گونه، پتانسیل الکترولیت و بخش جامد میباشد.
عبارت Su اثر جریان در محیط متخلخل و معادله دارسی را که معادله حاکم در محیط متخلخل میباشد، وارد معادله مومنتوم می-کند که رابطهي آن به صورت زیر میباشد:
که m لزجت و k نفوذپذیري را نشان میدهد. در داخل کانال از آنجا که میزان نفوذ خیلی زیاد است، مقدار k خیلی بزرگ میشود و در نتیجه Sk برابر با صفر میگردد ولی در داخل لایه نفوذ گاز به دلیل متخلخل بودن محیط و نفوذ بسیار کم، اندازه سرعت بسیار کم بوده و در نتیجه معادله - 2 - به معادله دارسی تبدیل میشود. Sk عبارت منبع مربوط به معادله بقاي گونهها میباشد که فقط در لایه کاتالیست وجود دارد، زیرا فقط در این لایه تولید یا مصرف گونه ها اتفاق میافتد.
شرایط مرزي
در مدل حاضر، کانال تک مسیره پیل سوختی پلیمري یک ورودي هیدروژن سمت آند و یک ورودي هوا سمت کاتد دارد. ورود سوخت و هوا در جهت مخالف هم در نظر گرفته شده است. در ورودي هر دو سمت آند و کاتد، نوع مرز، ورودي جریان جرمی8 است و در خروجی هر دو سمت آند و کاتد، نوع مرز، خروجی فشار9 است و میزان فشار خروجی و شرایط محیطی حاکم بر خروجی تعریف می گردد. کلیه نواحی بین وروديها و خروجیها از نوع دیوار ساکن هستند.
حل عددي و گسسته سازي
براي شبیهسازي پدیدههاي انتقال در مدل حاضر پیل سوختی پلیمري روش حجم محدود مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین براي حل توأم میدان فشار و سرعت، الگوریتم سیمپل[7] 10 بهکار برده شده است. الگوریتم سیمپل و گونههاي دیگر آن روشهایی مبتنی بر پایه فشار11 میباشند که در حل مسائل تراکمناپذیر در سطح بسیار گستردهاي استفاده می شوند. معادلات حاکم بر مدل پیل سوختی در مقاله حاضر با بکار گیري کد دینامیک سیالات محاسباتی فلوئنت12 حل شده اند.
اعتبار سنجی نتایج
جهت حصول اطمینان از صحت جواب ها، نتایج بهدست آمده حاصل از حل عددي با نتایج تجربی تیسیانلی و همکاران [8] بر روي نمودار قطبیت مقایسه شده است و همانطور که شکل - 1 - بیانگر آن است تطابق قابل قبولی بین جواب ها مشاهده می شود. این نکته بیانگر اعتبار روش عددي اتخاذ شده در مقاله حاضر در تحلیل هندسی و پارامتریک پیل سوختی پلیمري میباشد.
شکل :1 مقایسه نتایج عددي کار حاضر با نتایج آزمایشگاهی مرجع
نتایج
پیل سوختی پلیمري متشکل از یک کانال تک مسیره شامل کلکتور جریان الکتریکی آند و کاتد، کانال انتقال گاز آند و کاتد، لایه نفوذ آند و کاتد، لایه کاتالیست آند و کاتد و غشاء مدلسازي شده است.
هندسه سطح مقطع کانالهاي عبور جریان را از حالت پایهي مستطیل با حفظ مساحت به مربع، ذوزنقه، مثلث متساويالاضلاع و نیم دایره تغییر داده و سپس تأثیر تغییر هندسه کانال بر روي عملکرد پیل مورد بررسی قرار گرفته شده است. ناحیه مؤثر عملیاتی13 - سطح مؤثر کانال انتقال گاز براي واکنش دهندهها در تماس با لایه نفوذ گاز - ازکانال با مقطع مستطیل - پایه - به مربع کاهش و به ذوزنقه، مثلث و نیمدایره به ترتیب با افزایش روبه رو شده است. با افزایش سطح مؤثر واکنش، نفوذ گازهاي واکنشدهنده به لایه کاتالیست بیشتر شده و واکنشهاي بیشتري در سطح لایهي کاتالیست رخ میدهد. ابعاد هندسی و پارامترهاي عملکردي پیل سوختی مدل شده در جدول - 1 - فهرست شده اند.
جدول:1 مشخصات هندسی و عملکردي پیل مدل شده
شکل - 2 - کسر جرمی اکسیژن را در طول پیل سوختی نشان می-دهد. کسر جرمی اکسیژن به دلیل مصرف در واکنشهاي الکترو- شیمیایی در امتداد کانال کاتد کاهش مییابد. مطابق شکل، کانال نیمدایره به سبب داشتن سطح مؤثر واکنش بزرگتر و به دنبال آن مصرف اکسیژن بیشتر نسبت به دیگر کانالها داراي کمترین کسر جرمی اکسیژن در طول کانال میباشد لذا با بالا رفتن مصرف اکسیژن تولید جریان موضعی و به دنبال آن کارائی پیل افزایش می- یابد. شکل - 3 - منحنی قطبیت پیل سوختی پلیمري به ازاي کانال- هاي انتقال گاز با هندسههاي مختلف را نشان میدهد.
شکل :2 نمودار کسر جرمی اکسیژن در طول کانال کاتد در ولتاژ 0/3 ولت 12 Fluent به ازاي هندسههاي مختلف کانال جریان. 13 Reaction Area
