شبیه سازی عددی پدیده انتقال گونه ها و انواع افتها و ارائه چند مدل هندسی جدید در سلول سوختی با غشاء تبادل پروتونی

در این پایان نامه، دو نوع پیل سوختی پلیمری به لحاظ ابعادی و هندسی مورد بررسی قرار گرفته است. علت این امر در سهولت و اهمیت بررسی هر یک از پارامترهای مد نظر در هر کدام از مدل ها می باشد. معادلات حاکم که مشتمل بر معادلات بقاء جرم، مومنتوم، گونه ها و انرژی و نیز معادلات مربوط به میادین پتانسیل الکتریکی است، با استفاده از روش حجم محدود گسسته سازی و سپس توسط تکنیک های دینامیک سیالات محاسباتی حل میشوند. تستهای عددی دقیقی برای اطمینان از مستقل بودن حلِ مساله از اندازه شبکه انجام شده و در نهایت تعداد مش بهینه برای مدلسازی هر کدام از حالتها انتخاب شده است. هدف از انتخاب دو نوع پیل، بررسی رفتار پیلهای مختلف، تحت شرایط عملکردی متفاوت می باشد. هر مدل بطور جداگانه با نتایج آزمایشگاهی معتبر، اعتبار سنجی شده و سپس در هر مدل، گامهای مختلفی برای بررسی نحوه رفتار پیل و توزیع انواع گونه ها در آنها انجام شده است. در مدل دو بعدی، مواردی مانند تاثیر فشار راه اندازی کاتد، میزان رطوبت گازهای ورودی به کانالهای آند و کاتد، ضخامت غشاء و ضریب انتقال آند بر عملکرد پیل سوختی پروتونی مورد تحلیل قرار گرفته است. هدف از شبیه سازی مدل سه بعدی، بررسی تاثیر تغییر ولتاژ پیل سوختی بر نحوه توزیع گونه ها (اکسیژن در لایه های مختلف سمت کاتد، هیدروژن در لایه های مختلف سمت آند و آب در تمام لایه های داخلی پیل سوختی)، چگونگی تغییر قابلیت هدایت پروتونی لایه های مختلف پیل، خاصیت اکتیوایی آب و نیز نحوه تغییر دما (در اثر انجام واکنش الکتروشیمیایی حرارت آزاد میشود) هم در راستای عرض و هم در راستای طولی پیل می باشد. در ضمن به بررسی تاثیر تغییر هندسه کانالهای گاز آند و کاتد بر میزان تراکم جریان و به تبع آن نحوه توزیع گونه ها و میزان مصرف و تولید آنها پرداخته شده است. در اکثر مدلسازی های انجام شده توسط محققین مختلف، پیل سوختی بصورت مونوسل شبیه سازی شده است. بدین معنی که کانالهای گاز آند و کاتد مستقیم و تک سل بوده و مواد واکنش دهنده از یک سمت وارد می شوند و مقدار باقیمانده آنها در همان راستا خارج میشود. یکی از اهداف اصلی این تحقیق، معرفی و مدلسازی کانالهای گاز مارپیچ و پیلهایی با مجموعه الکترود-غشاء شکسته و تاثیر آنها بر عملکرد پیل می باشد که در هر مورد مدل مناسب از لحاظ عملکرد و مقدار مصرف سوخت معرفی شده است. در موارد فوق الذکر، کانتورهای مربوط به کسر جرمی، توزیع دما، انواع افتهای موثر بر ولتاژ پیل و نیز نحوه توزیع پتانسیل در پیل سوختی ارائه شده است. در ادامه بررسی تاثیر نسبت عرض کانال به شانه و اثر آن در کارایی و نحوه توزیع گونه ها و افتهای پتانسیلِ پیل سوختی انجام شده است. چندین مدل با نسبت عرض کانال به شانه متفاوت توسعه داده شده که در این مدل ها، عرض کانال ثابت و عرض شانه متغییر می باشد و مدل مناسب انتخاب شده است. در نهایت تحلیل فیزیک پدیده غرقابی و نحوه و احتمال زمان آغاز آن در پیل سوختی مورد بررسی قرار گرفته که بدین منظور یک معادله غلظت یک بعدی در لایه نفوذ گاز با شرایط مرزی مناسب حل شده است.در ضمن یکی از موارد بسیار مهم بررسی شده در این تحقیق، ارائه و تحلیل نتایج مدل دو فازی می باشد که جزئیات مربوط به آن مفصلا در متن پایان نامه ارائه شده است.