مدلسازی سه بعدی پیل سوختی پلیمری

محدویت منابع سوخت های فسیلی و آلایندگیهای ناشی از مصرف آنها بخصوص در شهرها، راندمان کم موتورهای احتراقی و دیگر وسایل تبدیل انرژی مرسوم و دیگر مشکلات آنها باعث گرایش به استفاده از مبدلهای انرژی کارآمد و منابع انرژی پاک شده است. دراین میان پیل های سوختی بعنوان مبدلهای مستقیم انرژی بعلت داشتن چگالی انرژی و راندمان بالا وسرو صدای کم با اتکای به سوخت هیدروژن می توانند گزینه مناسبی برای جایگزینی موتورهای حرارتی در آینده باشند. برای کاهش هزینه تولید و تجاری کردن پیلهای سوختی و رفع مشکلات آنها مطالعات فراوانی لازم است. در این پایان نامه یک مدل غیرهم دما و سه بعدی از یک تک پیل سوختی شامل صفحات جمع کننده جریان، کانالها، لایه های نفوذی گاز، کاتالیست ها و الکترولیت پلیمری مورد بررسی قرار گرفته است. با حل معادلات حاکم شامل معادلات ممنتوم، معادله بقای انرژی و معادلات بقای گونههای شیمیایی اثر چند پارامتر رویعملکرد پیل سوختی مورد بررسی قرار گرفته است. در همین راستا ابتدا نتایج با مراجع دیگر مقایسه شد و پس ازحصول اطمینان از صحت نتایج، منحنی عملکرد پیل سوختی تحت تاثیر شرایط کارکردی متفاوت همچون دما، فشار و ضریب استوکیومتری بررسی شد. نتایج نشان می دهند که با افزایش فشار درکانالهای پیل سوختی نرخ انتقال جرم به لایه های کاتالیست افزایش یافته و در نتیجه عملکرد پیل سوختی افزایش می یابد. افزایش ضریب استوکیومتریک بخصوص در کانال کاتد پیل سوختی باعث افزایش غلظت اکسیژن در سراسر کانال شده و در نتیجه باعث افزایش غلظت اکسیژن در کاتالیست و نهایتاً افزایش نرخ واکنشهای الکتروشیمیائی می شود. همچنین افزایش ضریب استوکیومتری به حذف آب اضافی که باعث غرقابشدگی الکترود می شود کمک می کند که هر دو عامل باعث افزایش عملکرد پیل می شوند. منحنی توزیع درجه حرارت در پیل سوختی نشان می دهد که اولاً درجه حرارت در کاتالیست کاتد از همه بالاتر است ثانیاً بدلیل کاهش غلظت واکنشگرها در طول کانالها درجه حرارت در طول پیل کاهش می یابد.