بخشی از مقاله
چکیده:
این مقاله عملکرد پیل سوختی غشاء تبادل الکترون دما بالا - HT-PEMFC - را در حالت انتقال پایا واکنش دهنده ها و آب در پیل، شامل هر دو آثار انتقال مومنتوم و جرم آند و کاتد در کانال هاي جریان، لایه نفوذ گاز - GDLs - و الکترودهاي متخلخل، همچنین جریان هاي الکتروشیمیایی در GDLs، الکترودهاي منخلخل و غشاء پلیمري بررسی می کند.
یک مدل سه بعدي براي شبیه سازي عملکرد پیل استفاده شد، و نمودار قطبش، جریان یونی در مرکز غشاء، و چگونگی تغییرات غلظت هیدروژن، اکسیژن و آب در پیل به دست آمد. نمودار قطبش به دست آمده براي اعتبارسنجی با مقادیر تجربی مقایسه شد. مدل نظري عینا نتایج تجربی را پیش بینی می کند. اثر پارامترهاي دما، تخلخل GDL و ضخامت غشاء بر چگونگی کارکرد پیل سوختی بررسی شد.
-1 مقدمه:
نگرانی هاي زیست محیطی جهانی و افزایش نیاز به استفاده از انرژي، باعث ایجاد فرصت هاي جدیدي براي استفاده عمومی از منابع انرژي تجدیدپذیر شده است. در این میان استفاده از پیل سوختی براي مقاصد تولید پراکنده، تولید محلی جدا از شبکه، وسائل نقلیه، برق اضطراري و تجهیزات فضایی مورد توجه است
پیل هاي سوختی یکی از قدیمی ترین تکنولوژي هاي تبدیل انرژي بوده و به طور گسترده به عنوان منابع انرژي سازگار با محیط زیست در قرن 21 هستند . پیل هاي سوختی وسایل الکتروشیمیایی بوده که انرژي شیمیایی حاصل از یک واکنش شیمیایی را مستقیما به انرژي الکتریکی تبدیل کرده و محدودیت سیکل کارنو را ندارد .[3] از آنجایی که انرژي الکتریکی بدون احتراق سوخت هاي فسیلی تولید می شود، پیل هاي سوختی بدون آلودگی می باشند
پیل هاي سوختی با توجه به درجه حرارت، بازده، کاربردها و هزینه ها متفاوت بوده و بر اساس انتخاب سوخت و الکترولیت به شش گروه اصلی تقسیم می شوند :
- پیل سوختی قلیایی - Alkaline fuel cell - AFC
- پیل سوختی اسید فسفریک Phosphoric acid fuel cell - PAFC -
- پیل سوختی اکسید جامد - Solid oxide fuel cell - SOFC
- پیل سوختی کربنات مذاب Molten carbonate fuel cell - MCFC -
- پیل سوختی غشاء تبادل پروتون Proton exchange membrane fuel cell - PEMFC -
- پیل سوختی متانول مستقیم Direct methanol fuel cell - DMFC -
پیل سوختی داراي مزایایی از قبیل بازدهی بالا - 40 تا 60 درصد - ، عدم آلودگی زیست محیطی، داراي ساختار انعطاف پذیر برحسب توان مورد نیاز، قابل حمل بودن، اشغال فضایی کم نسبت به توان تولیدي، ترکیب شدن با سیستم هاي دیگر، تولید انرژي با استفاده از گرماي خروجی و آلودگی صوتی بسیار پایین می باشد. در کنار این مزایا، مشکلاتی نیز بر سر راه گسترش این تکنولوژي وجود دارد که عبارتند از: هزینه خیلی زیاد به سبب مواد مورد استفاده در آن ها، پیچیدگی طراحی و ساخت، حساسیت بالا نسبت به ناخالصی سوخت مورد استفاده و نیاز به نیروي متخصص براي تعمیر و نگهداري.
مهمترین بخش پیل هاي سوختی الکترولیت آن می باشد که نام هر پیل سوختی را به آن می دهند. الکترولیت، یک غشاء پلیمري جامد اسیدي است که انتقال پروتون ها را بر عهده دارد اما الکترون ها را دفع می کند و الکترون ها ناگزیرند در مدار خارجی حرکت نموده و جریان الکتریکی ایجاد نمایند
در بین پیل هاي سوختی مختلف، پیل هاي سوختی پلیمري به دلیل داشتن مزایایی چون دماي کاري پایین، بازده بالا، چگالی قدرت بالا، الکترولیت پلیمري جامد و شروع به کار سریع، گزینه مناسبی براي استفاده در حمل و نقل و وسایل قابل حمل می باشند
با وجود مزایاي زیاد پیل هاي سوختی پلیمري، مدیریت دقیق آب در آن ها دشوار است؛ زیرا قابلیت هدایت یونی غشاء پلیمري به شدت به مقدار آب موجود در آن وابسته است؛ لذا لازم است سوخت و اکسید کننده قبل از ورود به پیل سوختی رطوبت زنی شوند. انتقال آب توسط واکنش گرها و تولید آب در کاتالیست کاتد شرایط را براي وجود جریان دوفازي در الکترودها فراهم می کند؛ لذا با افزایش چگالی جریان و تولید بیشتر آب در کاتالیست کاتد، جریان در لایه نفوذي گاز کاتد دوفازي می شود. در جریان دوفازي، وجود آب در منفذ هاي الکترودها باعث کاهش سطح موثر انتقال جرم شده و مقاومت در مقابل آن افزایش می یابد. افزایش مقاومت در مقابل انتقال جرم باعث کاهش غلظت واکنشگرها در محل هاي واکنش شده و افت فعال سازي در پیل سوختی افزایش می یابد
پیل هاي سوختی غشاء تبادل پروتون دما بالا - HT-PEMFCS - با غشاي پایه پلی بنزي مایدازول - PBI - به عنوان دستگاه هاي نسل بعدي تولید برق با توجه به عملکرد بالاتر آن ها در مقایسه با غشاهاي پایه preflourosulphanated دما پایین مطرح شده اند. این پیل ها در دماهاي بالاتر، از 120 تا 180 درجه سانتیگراد عمل کرده و ولتاژ خروجی پایدار را در شرایط پایا ارائه می دهند. HT-PEMFCS با توجه به سینتیک الکتروشیمیایی سریعتر، بهبود مدیریت آب و اغماض کربن مونوکسید معتبرتر می باشند.
آب در سمت کاتد با توجه به واکنش هاي الکتروشیمیایی تولید می شود، اما همچنین می تواند در سمت آند موجود باشد اگر سوخت هیدروژن شامل آب باشد.اگر سوخت هیدروژن ناشی از ریفرمینگ سوخت هاي هیدروکربن از قبیل گاز طبیعی، الکل ها و دیزل باشد، حالت دوم ممکن است اتفاق بیفتد. آب تولیدي در سلول ناشی از فشارهاي نسبی پایین تر هیدروژن و اکسیژن به ترتیب در آند و کاتد است. و در نتیجه آن پایین آوردن سرعت واکنش هاي سلول می باشد. غلظت محلی آب در سلول ممکن است یک اثر مفید بر هدایت یونی غشاء داشته باشد. اما اگر آب در سلول چگالیده شود ممکن است سبب شسته شدن اسید فسفریک بیرون از ماتریس پلیمر شود و به طور برگشت ناپذیر قابلیت هاي هدایت یونی غشاء و عملکرد کل سلول را کاهش می دهد
به عنوان یک نتیجه از کشش الکترو-اسمز پایین و هدایت پروتون خوب غشاء PBI، طراحی پیل سوختی و همچنین نگهداري روزمره آن می تواند به طور قابل توجهی ساده شود
هر دو کار تجربی و شبیه سازي بر روي HT-PEMFCS توسط محققان مختلف انجام شده است.
چن و همکاران [12]، غشاء تبادل پروتون دما بالا با استفاده از روش الکتروشیمیایی حالت پایدار را در دماهاي مختلف بررسی کردند. فشار پشتی براي 3-1 اتمسفر، رطوبت نسبی 100-25 درصد در یک همگذري هیدروژن پایا تنظیم شده بود. اثر دما بالاتر از فشار و رطوبت نسبی بود.
لوباتو و همکاران [13]، تاثیر دماهاي مختلف را که بر سنتز بسپارش PBI اثر می کند بررسی کرده و نتیجه گرفتند که غشاهاي PBI با جرم مولکولی بالا، پایداري فیزیکی و شیمیایی و پایداري حرارتی بالایی نشان می دهند.
ما و همکاران [14] ، قابلیت رسانایی غشاهاي PBI را براي HT-PEMFC تحت دما و رطوبت نسبی کنترل شده را مطالعه کردند.
لیو و همکاران [15]، مطالعاتی بر تخریب عملکرد HT-PEMFC بر پایه اسید فسفریک انجام داده و متوجه تخریب فیزیکی شدند.
گومز- رومرو و آرسنیو[16] ، تحولات و توسعه ي هدایت پروتون غشاهاي پلی2و5 بنزي مایدازول - - ABPBI را براي HT-PEMFC بررسی کرده و نتیجه گرفتند که ABPBI می تواند خیلی راحت به وسیله تغلیظ سولفوریک اسید و تماس گرمایی که جذب اسید و درنتیجه رسانایی را افزایش می دهد، سولفونه شود.
مانروئه و چدیه [17]، مدل عددي یک بعدي و سه بعدي پیل سوختی غشایی PBI دما بالا را براي پیش بینی عملکرد قطبش و اختلاف دما در داخل پیل سوختی PBI را توسعه دادند. نتایج نشان داد که اختلاف دما می تواند 20 درجه کلوین در توان چگالی100 w/m2 باشد.
به طور کلی مطالعات کمی به هر دو مدل سازي نظري و تجربی اختصاص داده شده است. عدم وجود داده تجربی، یک ابهام بین نتیجه گیري هاي واقع بینانه و آرمانی ایجاد کرده است.
هدف از این مقاله بررسی عددي HT-PEMFC با یک غشاي PBI است. یک مدل سه بعدي براي این منظور شبیه سازي شده و منحنی قطبش به دست آمده با داده هاي تجربی اعتبارسنجی شد. نتایج مدل در تمام ناحیه عملیاتی با داده هاي تجربی هماهنگی خوبی دارد. همچنین جریان یونی در جهت Z در مرکز غشاء و توزیع واکنش دهنده ها در هر دو لایه نفوذ گاز - GDLS - و کانال جریان به دست آمده و اثر پارامترهاي دما، تخلخل GDL و ضخامت غشاء براي پیل سوختی نیز بررسی شد.
-2 مدلسازي:
-1-2 هندسه مدل:
یک مدل سه بعدي تک فاز هم دما براي پیش بینی عملکرد HT-PEMFC با غشاء PBI ایجاد شده است.
جدول هاي 1 و 2 به ترتیب مربوط به ابعاد اجزاي پیل سوختی و پارامترهاي مدل مبنا می باشد.
جدول:1 ابعاد اجزاي پیل سوختی
فرض هاي مدل:
الف - از آن جا که HT-PEMFC در دماي بیش از 100 درجه سانتیگراد و فشار حدود 2 اتمسفر عملیاتی است، آب تنها در حالت بخار وجود دارد.
ب - به دلیل خاصیت غشاهاي PBI، ضریب کشش آب از آند به کاتد صفر فرض شده است، که متفاوت از نوع PEMFC دما پایین با غشاي Nafion است.[18] همچنین، به عنوان غشاء، ساز و کار انتقال پروتون به وسیله اسید در غشاء با فسفریک اسید پیش بینی شده است.
ج - مخلوط گاز به عنوان گاز ایده آل رفتار می کند.
