مدلسازی و شبیه سازی پیل های سوختی با در نظر گرفتن فعل و انفعالات بیولوژیکی والکتروشیمیایی

پیل های سوختی میکروبی جایگاه ویژه ای را در زمینه انرژی های تجدیدپزیر به خود اختصاص داده اند. عملکرد این دستگاهها متأثر از عواملی همچون غلظت سوبسترا، فواصل موجود بین الکترودها و ... می باشد که این عوامل می تواند به کمک یک مدل ریاضی رابطه بندی شده، تأثیر عوامل موثر بر عملکرد آن به منظور بهینه ساختن این دستگاه بررسی گردد. در این تحقیق، علاوه بر مدل نرنست- مونود، برای توصیف عملکرد پیل سوختی میکروبی دو مدل نرنست- آیبا و نرنست- اندروس ارائه شد که در آن ها به جای معادله سینتیک رشد مونود، دو معادله سینتیک رشد آیبا و اندروس جایگزین گردید. در این دو مدل، رابطه بین دانسیته توان تولیدی در پیل و غلظت سوبسترا بیان شد. سپس درستی این دو مدل با تطبیق دادن با داده های آزمایشگاهی مورد تأیید قرار گرفت و برای پنج سوبسترا از جمله گلوکز، مولاس، شیره خرما، فروکتوز و ساکاروز، تغییرات دانسیته جریان عبوری از پیل و دانسیته توان تولیدی بر حسب تغییرات غلظت رسم گردید. برای هریک از نمودارهای رسم شده مشاهده شد که با افزایش غلظت تا یک غلظت مشخصی دانسیته جریان و دانسیته توان افزایش یافته و پس از آن کاهش می یابد که این امر بازدارندگی غلظت را نشان می دهد. لذا برای هر سوبسترا مشخص گردید که در چه غلظتی از آن، سوبسترا به بازدارندگی غلظت می رسد. بدینگونه عملکرد پیل سوختی میکروبی با سوبسترای به کارگرفته در آن بررسی گردید.سپس با توجه به نمودارهای رسم شده و تطبیق مدل های ارائه شده با داده های آزمایشگاهی، به ترتیب شیره خرما، مولاس، گلوکز، فروکتوز و ساکاروز سوبستراهای مناسب در میان پنج سوبسترای مورد آزمایش تشخیص داده شدند. همچنین ثابت بازدارندگی غلظت سوبسترا k_i برای شیره خرما کمترین مقدار (7/14 و 35/2) به ترتیب در مدل نرنست- آیبا و نرنست- اندروس و نیز برای ساکاروز بیشترین مقدار (8/32 و 7/12) به ترتیب در همان مدل ها به دست آمد که این اعداد، شیره خرما را به عنوان مناسب ترین و ساکاروز را به عنوان نامناسب ترین سوبسترا در میان پنج سوبسترا مورد تأیید قرار داد. در ادامه تحقیقات هم چنین مدلی نیمه تجربی برای توصیف منحنی قطبش ارائه شد که در آن اثر سه افت پتانسیل پدید آمده در پیل های سوختی میکروبی در حال کار، مشخص گردید که این مدل برای سه بار الکتریکی اعمال شده 1000 و 2500 و 5000 اهم در پیل سوختی میکروبی مورد آزمایش تطبیق خوبی با داده های آزمایشگاهی داشت.