بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، یک مدل سه بعدی دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - برای مدل سازی الکترولیز دما بالای بخار آب در یک پیل الکترولیز اکسید جامد - SOEC - ارائه شده است. مدل مذکور در واقع در بر گیرنده یک تک کانال از یک نمونه پیل الکترولیز کامل است. کلیه معادلات بقای جرم، مومنتوم، انرژی و اجزا در مدل محاسباتی در نظر گرفته شده است و از طریق نرم افزار فلوئنت و به روش حجم محدود حل می گردد.
نتایج حاصل از شبیه سازی، توافق خوب بین نتایج حاصل از مدل سازی و داده های تجربی استخراج شده از منابع معتبر را نشان می دهد. نتایج حاصل از شبیه سازی CFD، به صورت توزیع دما، غلظت اجزای واکنش دهنده و نیز چگالی جsریان ارائه شده است. علاوه بر آن، به منظور بررسی رفتار مدل ارائه شده، تاثیر برخی پارامترهای مهم از قبیل ترکیب درصد جریان ورودی به پیل، دبی جریان و نیز ضریب تخلخل الکترودها مورد بررسی قرار می گیرد.
.1 مقدمه
هیدروژن پس از واکنش با اکسیژن و تولیدآب به عنوان تنها محصول انرژی تولید میکند. به دلیل آنکه در این واکنش هیچ گونه گاز گلخانهای ایجاد نمی شود به هیدروژن به عنوان یکی از مهمترین منابع انرژی جهت حل مشکلات آلودگی هوا و گرم شدن جهانی توجه میشود. از میان سیستم های زیاد تولید هیدروژن ،SOEC ها به عنوان سیستمهای پیشرفته الکترولیز به دلیل راندمان بالای تولید انرژی و مصرف کم انرژی الکتریکی از توجه ویژه ای برخوردار هستند.[3-1]
SOECها سیستمهای الکترولیز دما بالایی هستند که از فرآیندهای برگشتپذیر پیل های سوختی اکسید جامد - SOFC - استفاده میکنند. در کاتد، بخار آب دما بالا کاهش مییابد و به یونهای اکسیژن و هیدروژن تجزیه می شود. یونهای اکسیژن ازاولا، از کاتالیستهای فلزی ارزان ،مانند کاتالیستهای نیکلی و اکسیدی، برای الکترود سوخت به دلیل فعالیت بالای الکتروشیمیایی در دمای بالا استفاده میشود.
الکترولیز دما پایین از کاتالیست پلاتینیومی گران برای الکترولیز استفاده می کند و مسمومیت مونوکسید کربن در زمان استفاده از پلاتینیوم میتواند رخ دهد اما SOECها میتوانند در محیط CO2 برای تولید CO به کار روند4]و.>5 همچنین،SOECها یکی از کارآمد ترین سیستمهای الکترولیز بخار آب برای تولید هیدروژن هستند. در دمای بالا میزان مصرف انرژی الکتریکی برای الکترولیز کاهش مییابد و عملکرد الکتروشیمیایی کاتالیست افزایش مییابد. بنابراین، راندمان تبدیل انرژی با استفاده از SOECها افزایش می یابد.
در مورد رابطه میان شرایط کاری و عملکرد SOECها به روش های آزمایشگاهی با استفاده از پیل های واقعی و یا از روشهای عددی با اعمال آنالیزCFD تحقیقات زیادی انجام شده است. آنالیز عددی SOECها با استفاده از آنالیز CFD دارای مزایایی از جنبه زمان و هزینه میباشد. شبیه سازی زمان و هزینه کمتری را در مقایسه با روشهای آزمایشگاهی برخوردار است.
بسیاری از گروههای تحقیقاتی در اروپا، چین و آمریکا آنالیز عددی SOECها را به روشهای خودشان انجام داده اند1-3] و .[5-8 آزمایشگاه ملی آیداهو - - INL و آزمایشگاه ملی آرگن - - ANL شبیه سازی کل دستگاه الکترولیز را انجام داده اند8]و.[3 با این وجود، مطالعات پارامتریک کمی را در رابطه با SOECها با استفاده از شبیه سازی سه بعدی جهت آنالیز عددی میتوان یافت. در این تحقیق از مدلی سه بعدی برای آنالیز روابط میان شرایط کاری و پدیدههای کلی در SOECها استفاده شده است.
.2 هندسه مدل
در شکل 1، تصویر شماتیک از هندسه مورد مطالعه نشان داده شده است. مش ها در تمام هندسه به صورت شش وجهی های منظم بوده و در لایه های الکترولیت، آند و کاتد ریزتر و در کانال های سوخت و اکسنده و در صفحات اتصال دهنده درشتترند. استقلال از شبکه به ازای 96000 المان بهدست آمد به این معنی که با افزایش تعداد مش ها دیگر تغییراتی در نتایج مشهود نشد. جدول 1، ابعاد و مشخصات فیزیکی قسمت های مختلف پیل را نشان میدهد.
