بخشی از مقاله
چکیده
پیل سوختی پلیمری دارای محیطی با واکنش پذیری بالا است، در این محیط فرآیندهای مختلفی به صورت هم زمان و وابسته به یکدیگر صورت می گیرد و به این دلیل بررسی فرآیندهای موجود در پیل در حین کار کردن تقریبا غیر ممکن می باشد. به همین دلیل شبیه سازی پیل سوختی بسیار کارساز می باشد.
در این مطالعه از روش شبکه بولتزمن برای شبیه سازی پیل سوختی پلیمری استفاده شده است .محدوده شبیه سازی شامل تمام هفت بخش پیل سوختی : کانال آند، لایه های نفوذ و کاتالیست آندی،غشاء ، کانال کاتدی ، لایه های نفوذ و کاتالیست کاتدی بوده است. فرضیات حاکم در این مدل : دوبعدی،فشار ثابت، خواص ثابت، چند جزئی می باشد.در این شبیه سازی، اثر پارامترهای دمای سوخت ورودی و ضریب تخلخل بر منحنی قطبیت مورد بررسی قرار گرفته است.
مقدمه
پیل سوختی پلیمری جزو پیل های دما پایین بوده و پتانسیل بسیار زیادی برای جایگزینی در خودروها به عنوان نیروی محرکه دارد. در حال حاضر نمونه هایی از خودروها که با نیروی پیل سوختی کار می کنند ساخته و وارد بازار شده است. یکی از بزرگترین مشکلاتی که در این راه وجود دارد، هزینه های بالای ساخت است و در این زمینه تلاش های زیادی صورت گرفته است. برای آنکه بتوان به روند بهینه سازی ادامه داد، لازم است تا درک معینی از فرآیندهای الکتروشیمیایی و فیزیکی انجام شده درداخل پیل به دست آورد.
افشاری و جزایری [1] ، یک نوع پیل سوختی غشاء پلیمری برای کاربرد در خودرو را مورد بررسی قرار داده و در این راستا متغیرهای اثرگذار بر عملکرد پیل از قبیل درصد رطوبت ، نرخ جریان ، دما و فشار گازهای ورودی را بررسی کردند. نتایج نشان می دهد که افزایش فشار ودما باعث بهبو د عملکرد پیل می شود.افز ایش درصد رطوبت و کاهش نرخ جریان ورودی بر عملکرد پیل تاثیر مثبت می گذارد.
آقاجانی دلاور و همکاران [2]، تولید حرارت و تولید دما در پیل سوختی متانولی با استفاده از روش شبکه بولتزمن بررسی کردندو مشاهده گردید که با افزایش دما و چگالی جریان ، غلظت واکنش دهنده ها کاهش یافته و غلظت محصولات واکنش افزایش می یابد و با افزایش چگالی جریان ، نرخ واکنش ها افزایش یافته و دما در لایه کاتالسیت زیاد می گردد.
نور اوزن و همکاران [3]، اثر شرایط عملکردی را بر بازده پیل سوختی پلیمری بررسی کردند. آن ها پیل سوختی با سطح فعال 25 سانتی متر مربع را با رطوبت و دما های ورودی مختلف تست کردند.نتایج این بررسی نشان داد که افزایش رطوبت گاز ورودی اثر مثبت در عملکرد پیل سوختی دارد، همچنین افزایش دما اثر مهمی در افزایش بازده پیل سوختی دارد.
علی زاده و همکاران[4]، اثر توزیع فشار تماسی در سطح فعال پیل سوختی پلیمری روی عملکرد پیل بررسی کردند. آن ها ابتدا برای کاهش زمان محاسبات مدل سه بعدی برای تک سل را به مدل دو بعدی کاهش دادند و پس از صحت سنجی ، اثر بعضی از پارامترها مثل: ضخامت، جنس مواد صفحات انتهایی ، سختی، تعداد استک ها را مورد بررسی قرار دادند.
آقاجانی دلاور[5]، از مدل دوبعدی شبکه بولتزمن حرارتی برای بررسی مدل جریان و دمایی اطراف میکرومیکسر تی- شکل با بلوک متخلخل استفاد کرد. اثر ضریب تخلخل بلوک متخلخل و عدد رینولدز جریان مورد بررسی قرار گرفت . نتایج نشان داد با کاهش ضریب تخلخل هدایت حرارتی در بلوک افزایش می یابد.
پی.کی.جیتش و همکاران[6] ، اثر توزیع جریان را بر توزیع آب مایع در بازده پیل سوختی پلیمری را بررسی کردند.
روش شبکه بولتزمنٌ به عنوان نسخه گسسته تئوری سینتیک به طور نسبی روش جدیدی می باشد که بر خلاف روش های معمول،بر اساس مدل های میکروسکوپی و معادلات سینتیک مزوسکوپیک بنا شده که در آن ها رفتار مجموعه ای از ذرات برای شبیه سازی مکانیک پیوسته - جریان سیال - سیستم به کار برده می شود. اخیرا معادله شبکه بولتزمن به شکل موفقیت آمیزی برای شبیه سازی جریان سیال و پدیده انتقال به کار برده شده است.
در این مطالعه ، بسط شبکه بولتزمن برای شبیه سازی پیل سوختی پلیمری مورد بررسی قرار گرفته است که در آن با استفاده از مدل شبکه بولتزمن واکنش شیمیایی را مدل و کانتورسرعت و غلظت برای آند و کاتد به دست آمده است.
معادلات حاکم :
یک پیل سوختی مطابق با شکل - 1 - در حقیقت یک سیستم الکترشیمیایی است که در آن فازهای مختلف نظیر فاز گاز ، مایع و جامد در ارتباط هستند. همچنین در چنین سیستم هایی حرکت سیال در یک محیط متخلخل صورت گرفته که میزان تخلخل آن متغیر است . به عنوان مثال کانال های باز مقدار تخلخل برابر یک بوده در حالی که در لایه های مختلف پیل مقادیر متفاوتی از تخلخل موجود است . همچنین در بخش هایی از این فضا واکنش های الکترو شیمیایی صورت می گیرد. بنابراین از یک دیدگاه کلی ، تحلیل یک پیل سوختی متضمن تحلیل مسائلی هستند که درگیر مباحثی نظیر محیط های متخلخل ، واکنش های شیمیایی و الکترو شیمیایی و انتقال حرارت می شوند.
برای آنکه بتوان مدل جامعی برای چنین مساله ارائه داد ، لازم است تا معادلات انتقالی حاکم بر متغیرهای فیزیکی درگیر در مساله شناخته شده و حل شوند. در چنین سیستم های الکتروشیمیایی فرآیندهای الکتروشیمیایی به طور عموم توسط اصل های بقای جرم ، ممنتوم ، گونه های شیمیایی و بار الکتریکی در هر فاز بیان می گردند.
در پیل سوختی پلیمری هیدروژن و هوا قبل از ورود به پیل مرطوب می شوند. هیدروژن از میان لایه پخش گاز آند که از کربن پارچه ای یا کربن کاغذی ساخته شده است به طرف کاتالیست آند پخش می شود . در لایه کاتالیست مولکول های هیدروژن به دو یون هیدروژن و دو الکترون تبدیل می شوند.
پروتن های تولیدی از میان غشاء به طرف کاتالیست کاتد حرکت می کنند . غشاء رسانای الکترون نمی باشد و الکترون های آزاد شده در آند، از طریق مدار خارجی جریان پیدا می کنند و قبل از اینکه واکنش را تکمیل کنند کار مفید انجام می گیرد. در طرف کاتد، اکسیژن از میان لایه پخش گاز کاتد حرکت می کند و در سطح لایه کاتالیست با پروتن ها و الکترون ها واکنش انجام داده و آب تشکیل می شود..
واکنش کلی پیل که مجموع واکنش های 1و2 می باشد گرمازا است و به صورت رابطه زیر نوشته می شود:
شکل : - 1 - شماتیکی از پیل سوختی مورد بررسی
معادلات پیل سوختی:
فرآیند های فیزیکی که در پیل سوختی پلیمری اتفاق می افتد عموما با حل معادلات بقای جرم،ممنتوم،انرژی،گونه های شیمیایی نشان داده می شوند.
