شبیه سازی عملکرد گذرای پیل سوختی اکسید جامد و تحلیل امپدانس الکتروشیمیایی

هدف این رساله شبیه سازی طیف امپدانس الکتروشیمیایی پیل سوختی اکسید جامد می باشد. به این منظور فرایندهای انتقال جرم در آند و کاتد با کوپل نمودن معادلات گذرای بقای اجزاء و معادلات الکتروشیمیایی مدلسازی شده و با اعمال تحریک متناوب بر مجموعه معادلات حاصله، امپدانس مربوط به انتقال جرم شبیه سازی شده است. جهت مدلسازی امپدانس مربوط به واکنش های الکتروشیمیایی درون آند از مدل خطوط انتقال استفاده گردیده است. مدل خطوط انتقال به نحو مناسبی جهت در نظر گرفتن مشخصات فیزیکی و میکروساختاری الکترود آند اصلاح شده است. همچنین امپدانس مربوط به فرایندهای الکتروشیمیایی درون الکترود کاتد توسط مدل تحلیلی موجود برای امپدانس کاتدهای پیل سوختی اکسید جامد مدلسازی گردیده است. معادلات غیر خطی حاکم بر سیستم با روش خطوط حل شده اند. نتایج حاصل از مدلسازی با نتایج آزمایشگاهی هماهنگ هستند. همچنین نشان داده شده است که مدل خطوط انتقال اصلاح شده قادر است تاثیر خواص میکروساختاری آند بر طیف امپدانس و بر عملکرد پیل را پیش بینی نماید. با مدلسازی طیف امپدانس می توان تاثیر هریک از فرایندهای موجود در پیل را بر طیف امپدانس و در نتیجه بر عملکرد پیل بررسی نمود. این بررسی در پیل مورد مطالعه نشان داده است که فرایند انتقال جرم در آند تاثیر به سزایی بر طیف امپدانس دارد و منجر به پیدایش کمانی با فرکانس آسودگی پایین (کمتر از 30 هرتز) می گردد. انتقال جرم در سمت کاتد در حالتیکه از هوا به عنوان اکسیدکننده استفاده شود تاثیری بر امپدانس پیل ندارد. به علاوه تاثیر فرایندهای الکتروشیمیایی درون الکترود آند در فرکانس های بالاتر از 1000 هرتز و تاثیر فرایندهای الکتروشیمیایی درون الکترود کاتد در محدوده 40 هرتز ظاهر گردیده اند. همچنین مقاومت به وجود آمده در اثر انتقال جرم درون آند و مقاومت به وجود آمده در اثر واکنش های الکتروشیمیایی درون آند بیشترین سهم را در افت های پیل دارند. با بررسی طیف امپدانس در شرایط عملکردی مختلف و در ساختارهای هندسی مختلف می توان به بررسی تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد پیل پرداخت. به این منظور تاثیر پارامترهای مختلفی همچون دما، ترکیب اکسیدکننده ورودی به کاتد، ترکیب سوخت ورودی به آند، ضخامت الکترود، اندازه ذرات الکترود متخلخل و ضریب تخلخل الکترود بررسی شده و نتایج به دست آمده تحلیل گردیده اند. به این ترتیب مدل به دست آمده برای طراحی و بهینه سازی اجزاء پیل، بررسی ساختار و مواد آنها و همچنین بررسی پارامترهای موثر بر عملکرد پیل و بهینه نمودن آنها کاربرد خواهد داشت.