ارایه یک مدل دوفازی شبه دوبعدی جهت پیش بینی رفتار پیل سوختی متانولی

با شکل گیری جریان دوفازی در پیل سوختی متانولی، بررسی اثرات غلظت و انتقال متانول در فاز گاز بر روی سینتیک الکترواکسیداسیون متانول و همچنین نشتی متانول از غشاء بسیار حایز اهمیت بوده و تاثیر بسیار مهمی بر روی بازده و توان خروجی پیل سوختی متانولی دارد. علیرغم بهبود عملکرد پیل سوختی در چگالی جریان بالا (ولتاژ پایین)، طغیان آب در کاتد و تجمع دی اکسیدکربن در آند، سهم بسزایی بر کاهش راندمان پیل سوختی متانولی دارد. در این راستا، تلاش های بسیاری برای بررسی این پدیده ها به صورت آزمایشگاهی و عددی صورت گرفته است. هدف از این تحقیق، ارایه یک مدل دوفازی شبه دوبعدی است که با در نظر گرفتن جریان دوفازی در داخل کانال های صفحات توزیع کننده واکنشگرها و مجموعه غشاء-الکترود، ابزاری مناسب جهت شبیه سازی تک سل بوده که از قابلیت تعمیم برای سری پیل سوختی متانولی نیز برخوردار است. در بخش تجربی، اثرات پارامترهای عملکردی نظیر دما، غلظت متانول، دبی های ورودی و فشار کاتد در عمق های مختلف کانال بر روی عملکرد پیل سوختی مورد بررسی قرار گرفته است. در بخش مدل سازی، معادلات حاکم بر مجموعه غشاء-الکترود به صورت یک بعدی و تغییر فشار، سرعت و غلظت در راستای عمود بر کانال در نظر گرفته شده و دستگاه معادلات به روش عددی حل گردیده است. این مدل از قابلیت بررسی اثرات جریان دوفازی، غلظت متانول و میزان نشتی متانول از غشاء و شرایط کاری بر روی راندمان و همچنین بهینه سازی نرخ جریان های آند و کاتد در پیل سوختی متانولی برخوردار می باشد. مقایسه نتایج بدست آمده از مدل ارایه شده با کارهای عددی و شبه عددی منتشر شده در این زمینه، نشان می دهد که این مدل از دقت مناسب و سرعت بالایی برخوردار بوده و قابلیت پیش بینی رفتار پیل سوختی متانولی برای غلظت های متانول ورودی و دما در کل محدوده چگالی جریان را دارد. نتایج بدست آمده در این رساله، نشان می دهد که افزایش دمای تک سل، سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در آند را بالا برده و در نتیجه راندمان پیل سوختی متانولی افزایش می یابد. همچنین، با شکل گیری جریان دوفازی، تا محدوده غلظت متانول 1 مولار، شاهد افزایش انتقال متانول برای انجام واکنش در آند بوده ولی برای محدوده غلظت های بالاتر از 1 مولار، به دلیل افزایش جریان نشتی متانول و ایجاد محدودیت در انتقال اکسیژن در طرف کاتد، ولتاژ تک سل کاهش می یابد.