مدلسازی مرطوب ساز غشایی برای پیل سوختی غشا پلیمری

کنترل رطوبت گازهای واکنشگر پیل سوختی تأثیر بسزایی در عملکرد پیل دارد. آب کم و آب زیاد در غشا سبب افت عملکرد پیل می شود. از این رو برای دست یابی به رطوبت بهینه در پیل مرطوب سازی گازهای واکنشگر هم در سمت آند و هم در سمت کاتد ضروری است. از میان انواع روش های مرطوب سازی، استفاده از مرطوب ساز غشایی به دلیل سادگی ساخت و هندسه، مصرف انرژی کمتر و بازده بیشتر، بهترین روش است. هدف از این پایان نامه مدلسازی عددی و مطالعه پارامتری مرطوب ساز غشایی صفحه ای و نهایتاً طراحی بهینه مرطوب ساز است. مدلسازی این مطالعه شامل دو بخش است: بخش اول مدلسازی تحلیلی و بخش دوم مدلسازی سه بعدی دینامیک سیالات محاسباتی(cfd). در مدل تحلیلی با نوشتن معادلات حاکم شامل: معادلات انتقال آب در غشا و قانون بقا انرژی در مرطوب ساز، یک دستگاه معادلات غیر خطی تشکیل شده که به روش تکرار، با استفاده از برنامه نویسی فرترن حل گردیده است و تاثیر دبی ها، فشارها و پارامترهای ابعادی مرطوب ساز بر عملکرد آن بررسی شده است. بدین منظور، در هر مرحله، دماهای خروجی، نرخ انتقال آب از غشا، رطوبت نسبی و نقطه شبنم خروجی گاز خشک محاسبه و تحلیل شده اند. هر چه اختلاف نقطه شبنم ورودی سمت مرطوب و خروجی سمت خشک کمتر باشد، عملکرد مرطوب ساز بهتر است. نتایج نشان می دهد افزایش دبی ورودی سمت خشک، سبب افت عملکرد اما افزایش دبی ورودی در سمت مرطوب سبب بهبود عملکرد مرطوب ساز می شود. در صورت استفاده از دبی های مساوی در سمت خشک و سمت مرطوب، افزایش دبی سبب عملکرد ضعیف تر مرطوب ساز خواهد شد. با افزایش فشار ورودی کانال خشک، عملکرد مرطوب ساز بهترمی شود؛ در حالی که فشار ورودی سمت مرطوب اثر قابل توجهی بر عملکرد آن ندارد. هرچه ضخامت غشا کمتر، مساحت غشا بیشتر و قطر هیدرولیکی مقطع ورودی کانال ها کمتر باشد عملکرد مرطوب ساز بهتر است. در مدل سه بعدی مرطوب ساز، معادلات بقای جرم، ممنتم، اجزا و انرژی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی حل شده و توزیع سرعت، فشار، دما و غلظت، در هر مقطعی از کانال در هر سه بعد، خروجی آن می باشد. با توزیع سه بعدی سرعت مشاهده می شود که در دبی های مساوی، در مقاطع مرطوب تر به علت چگالی پایین تر سرعت سیال بیشتر است. نسبت افت فشار در سمت خشک به افت فشار در سمت مرطوب در طول کانال برابر 125/1 به دست می آید. با ارائه توزیع سه بعدی غلظت و دما، نحوه انتقال رطوبت و گرما از میان غشا و توزیع یکنواخت ناشی از آرایش جریان مخالف قابل مشاهده است. در کانال های گاز خشک، دما در وسط کانال ها کمتر و در نزدیک دیواره ها بیشتر است. علت این نوع توزیع دما سرعت کم سیال در نزدیک دیواره هاست که سبب افزایش مدت اقامت گاز و داشتن فرصت بیشتر برای گرفتن گرما می شود. بررسی تأثیر دماهای ورودی نشان می دهد بهترین عملکرد مرطوب ساز در دمای 328 کلوین برای گاز خشک ورودی و دمای 335 کلوین برای گاز مرطوب ورودی اتفاق می افتد. در دماهای بالاتر و پایین تر از این مقادیر عملکرد مرطوب ساز افت می یابد.