دانلود پایان نامه ارشد:مدل‌سازی یک بعدی عملکرد پیل سوختی غشاء پلیمری

در این پایان‌نامه پیل سوختی غشاء پلیمری به صورت یک بعدی مدل‌سازی شده است. تمامی لایه‌های مختلف پیل که شامل مجموعه غشاء– الکترود (غشاء،لایه کاتالیست و لایه‌های نفوذ گاز)می باشد، شبیه‌سازیشده‌اند. لایه کاتالیست به دو روش همگن و توده‌ای مدل شده و سپس نتایج حاصل از هر دو مدل با یکدیگر مقایسه شده‌اند. در این پروژه تمرکز بر روی مدل توده‌ای است، بطوریکه در این راستا معادلات مدل توده‌ای به طور کامل استخراج شده است. صحت‌سنجی مدل با مقایسه با داده‌های تجربی در دو دمای متفاوت انجام شده است. نتایج نشان می‌دهند که در حالت حدی که اندازه ذرات توده‌ای به سمت صفر میل کند، مدل توده‌ای به مدل همگن ساده می‌شود. مدل همگن کارائی پیل را برای مقادیر چگالی جریان A/m2 3000 و بیشتر از آن در دمای عملکردیoC 50 تقریباً ۸۰% بیشتر از مدل توده‌ای و داده‌های تجربی پیش‌بینی می‌کند. یک سری مطالعات پارامتری بر روی مدل توده‌ای به منظور بررسی حساسیت مدل به تغییرات برخی از پارامترهای ساختاری و عملکردی انجام شده است. مشخص شد که اندازه ذرات توده‌ای تأثیرگذارترین پارامتر بر عملکرد پیل سوختی می‌باشد. مجموعه غشاء – الکترود نیز با در نظر گرفتن هوای مرطوب(O, N, HO(v))به عنوان ورودی کاتد و هیدروژن مرطوب ناشی از ریفرم گاز طبیعی (H, CO, HO(v)) به عنوان ورودی آند مدل شده‌اند. در این مدل‌سازی فرض بر این است که پیل سوختی در شرایط پایا، دما ثابت و فشار ثابت کار می‌کند. لایه‌های نفوذ گاز با استفاده از معادله استفان – ماکسول که مربوط به نفوذ چند جزئی مخلوط گازی می‌باشد، شبیه‌سازی شده‌اند. همچنین مکانیزم‌های انتقال آب غشاء نیز مدل شده است. در این مورد نیز پس از صحت‌سنجی مدل با نتایج تجربی، یک سری مطالعه پارامتری انجام شده است. نتایج حاکی از این است که افرایش دما سبب افزایش مقاومت پروتونیک غشاء و در نتیجه مقاومت اهمیک پیل می‌شود. همچنین قابلیت هدایت و جزء آب درون غشاء با افزایش دما کاهش می‌یابد. در چگالی جریان‌های بالا نیز، محتویات آب داخل غشاء افت می‌کند و در پی آن با کاهش قابلیت هدایت غشاء کارائی پیل کاهش می‌یابد. تمامی این نتایج می‌تواند برای سازندگان سیستم‌های پیل‌های سوختی مورد استفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: پیل سوختی غشاء پلیمری- مدل توده‌ای- نفوذ چند جزئی- نفوذ معکوس- درگ الکترواسمتیک.

عنوان : مدل سازی یک بعدی عملکرد پیل سوختی غشاء پلیمری

دانشگاه صنعتی امیرکبیر

(پلی­ تکنیک تهران)

مدل سازی یک بعدی عملکرد پیل سوختی غشاء پلیمری

ارائه شده برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

استاد راهنما:

دکترمحمدجعفر کرمانی

 

استاد مشاور:

دکتر ابراهیم دامنگیر

 

دانشکده مهندسی مکانیک

۱۳۹۱

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب
۱- فصلاول. ۱
۱-۱-مقدمه             ۲
۱-۲- تاریخچه   ۴
۱-۲-۱-تاریخچهپیلسوختیPEM… 6
۱-۳-مزایاومعایبپیلسوختی                   ۷
۱-۴-شناختکلیپیلسوختی                    ۹
۱-۵-پیلسوختیPEM    ۱۳
۱-۶-لایههایتشکیلدهندهپیلسوختیغشاءپلیمری   ۱۴
۱-۶-۱- لایهنفوذگاز. ۱۵
۱-۶-۲- لایهکاتالیست… ۱۶
۱-۶-۳- غشاء    ۱۸
۱-۷-عملکردپیلسوختی          ۲۰
۱-۷-۱- افتفعال سازی.. ۲۲
۱-۷-۲- افتجریانداخلی.. ۲۴
۱-۷-۳- افتاهمیک    ۲۵
۱-۷-۴- افتغلظت    ۲۶
۱-۸-مروریبرمقاله ها ۲۸
۱-۸-۱-لایهکاتالیست… ۲۸
۱-۸-۲-لایهنفوذگازوغشاء. ۳۳
۱-۹-اهدافپروژهوخلاصهایازکارهایصورتگرفته  ۳۵
۲- فصلدوم. ۳۷
۲-۱-معرفیلایهکاتالیست    ۳۸
۲-۲-شرحپدیده هاییکهدرلایهکاتالیسترخمی دهد  ۴۱
۲-۲-۱-مدللایهنازک… ۴۲
۲-۲-۲-مدلهمگن   ۴۳
۲-۲-۳-مدلتوده ای   ۴۵
۲-۳-استخراجروابطحاکمبرمدلتودهای                  ۴۸
۲-۴-نرخواکنشالکتروشیمیاییدرمدلتوده ای   ۴۹
۲-۴-۱-واکنشکاهشاکسیژندرونتوده ۴۹
۲-۴-۲-نرخحجمیواکنشکاهشاکسیژن. ۵۴
۲-۴-۳-نفوذاکسیژندرونفیلمآیونومراطرافتوده ۵۶
۲-۴-۴-نرخواکنشالکتروشیمیایی.. ۵۷
۲-۵-انتقالجرماکسیژن           ۶۰
۲-۶-محاسبهافتفعال سازی      ۶۳
۲-۷-شرایطمرزی      ۶۴
۲-۷-۱-شرایطمرزیدرسطحمشترکلایهنفوذگازبالایهکاتالیست(z=0): 64
۲-۷-۲-شرطمرزیدرسطحمشترکغشاءبالایهکاتالیست(z=LCL): 65
۲-۸-شرحیبرپارامترهایاستفادهشدهدرمدل سازی      ۶۶
۲-۸-۱-مساحتسطحمؤثرپلاتین.. ۶۶
۲-۸-۲-تخلخللایهکاتالیست… ۶۸
۲-۸-۳-اندازهتوده ۷۲
۲-۹-روشحل       ۷۳
۲-۱۰-نتایج      ۷۳
۲-۱۰-۱-صحتسنجی.. ۷۴
۲-۱۰-۲-بحثدرنتایج.. ۷۶
۲-۱۰-۳-اثرپارامترهایعملکردیپیلبررویکارایی.. ۷۸
۲-۱۰-۴-اثرپارامترهایساختاریپیلبررویکارایی.. ۸۱
۲-۱۱-مطالعهحساسیت     ۸۵
۳- فصلسوم. ۸۶
۳-۱-معرفیغشاءولایهنفوذگاز  ۸۷
۳-۲-شرحیبرمدلارائهشدهبرایغشاءولایهنفوذگاز  ۹۰
۳-۳-بالانسجرمیاجزاءورودیبهپیلدرکانال هایسمتآندوکاتد  ۹۱
۳-۴-معادلاتحاکمبرلایه ها              ۹۵
۳-۴-۱-معادلاتحاکمبرلایهنفوذگاز. ۹۵
۳-۴-۲-معادلاتحاکمبرغشاء. ۹۷
۳-۴-۳- معادلاتحاکمبرلایهکاتالیست… ۱۰۱
۳-۵-شرحیبرپارامترهایمورداستفادهدرمدل سازی   ۱۰۲
۳-۶-روشحلمعادلاتحاکمدرلایه هایمختلف    ۱۰۳
۳-۷-نتایجوبحثدرآن ها ۱۰۵
۳-۷-۱- صحتسنجی.. ۱۰۶
۳-۷-۲- مکانیزمانتقالآبدرونغشاء. ۱۰۸
۳-۷-۳- مطالعاتپارامتریک… ۱۰۹
۴-فصلچهارم. ۱۱۵
۴-۱-نتیجهگیری   ۱۱۶
۴-۲-خلاصهایازنتایجمدل سازی: ۱۱۷
۴-۳-پیشنهادها   ۱۱۹
مراجع.. ۱۲۰
پیوست ها ۱۲۵
 
 
فهرست شکل ها
شکل‏۱‑۱: شماتیکطریقهعملکردپیلسوختیPEM [3]. 10
شکل‏۱‑۲: شماییازیکلایهنفوذگازیدولایه. ۱۵
شکل‏۱‑۳: نماییازلایهکاتالیست. ۱۷
شکل‏۱‑۴: شاخهپلیمریپرفلئوروسولفونیکاسید(Perfluorosulfonate). 19
شکل‏۱‑۵: منحنیقطبیتیکپیلسوختی [۹]. ۲۱
شکل‏۱‑۶: نمودارتافلبرایواکنش هایالکتروشیمیاییسریعوکند [۴]. ۲۳
شکل‏۲‑۱: نمایشگرافیکیسطحیکهدرآنواکنشرخمی دهد[۸]. ۳۹
شکل‏۲‑۲: شماتیکمدللایهنازکباتقارنمحورینشاندادهشدهبوسیلهخطچین [۲۸]. ۴۲
شکل‏۲‑۳: تصویرشماتیکلایهکاتالیستسمتکاتدبراساسمدلهمگن [۱۴]. ۴۳
شکل‏۲‑۴: نماییازلایهکاتالیستهمگنوتودهایواجزاءتشکیلدهندهآنها. ۴۴
شکل‏۲‑۵: (الف) نمایلایهکاتالیستبهروشتوده ایکهبینلایهنفوذگازوغشاءفشردهشدهاست (ب) نمایبزرگشدهازیکعددتودهموجوددرلایهکاتالیست. ۴۷
شکل‏۲‑۶: تصویرSEMلایهکاتالیست [۱۹]. ۴۸
شکل‏۲‑۷: تغییراتشعاعیغلظتبیبعداکسیژندرونیکتودهبرایمدولتایلیمختلف. ۵۳
شکل‏۲‑۸: شماتیکشروطمرزیدردوطرفلایهکاتالیست. ۶۶
شکل‏۲‑۹: صحتسنجیمنحنیقطبیتمدلتودهایبانتایجمنتشرشده، (الف) صحتسنجیاول (ب) صحتسنجیدوم. ۷۵
شکل‏۲‑۱۰: نمودارمیلهTerms I, IIوبررسیاثرآن هابرمنحنیقطبیت. ۷۷
شکل‏۲‑۱۱: اثرپارامترهایعملکردیبرکاراییپیلسوختی (الف) فشار (ب) دما. ۸۰
شکل‏۲‑۱۲: مقاومتویژهپیل، ،برحسبدمادرچگالیجریان۰٫۵ A/cm2براینفیونN117 (Lmem=175 [mm]). 80
شکل‏۲‑۱۳: (الف) تغییراتولتاژوچگالیتوانبرحسبچگالیجریانبرایمقادیرمختلفشعاعتودهوضخامتفیلمآیونومراطرافهرتوده (ب) اثرکسرحجمیغشاءدرونتودهبررویکاراییپیلسوختی. ۸۳
شکل‏۲‑۱۴: اثرLi,aggبرتعدادتوده هادرواحدحجملایهکاتالیستn. 84
شکل‏۳‑۱: ساختارPTFE. 88
شکل‏۳‑۲: محتویاتآبغشاءاندازهگرفتهشدهبراینفیونN117دردمایoC30 [27]. 89
شکل‏۳‑۳: شماتیکپیلسوختیغشاءپلیمریموردمطالعه. ۹۱
شکل‏۳‑۴: بلوکدیاگرامحل. ۱۰۴
شکل‏۳‑۵: صحتسنجیکسرمولیاکسیژنوآبدرونلایهنفوذگازسمتکاتد(XCH= 1). 107
شکل‏۳‑۶: صحتسنجیجزآبدرونغشاء(XCH = 1). 107
شکل‏۳‑۷: بررسیمکانیزم هایانتقالآبدرونغشاء. ۱۰۹
شکل‏۳‑۸: اثرتغییراتدمابررویجزءآبموجوددرغشاء. ۱۱۰
شکل‏۳‑۹: اثرتغییراتدمابرقابلیتهدایتپروتونیغشاء. ۱۱۱
شکل‏۳‑۱۰: پروفیلجزءآبدرونغشاءبهازایچگالیجریان هایمختلف. ۱۱۲
شکل‏۳‑۱۱: منحنیمقاومتاهمیکبرحسبچگالیجریانپیلدرسهدمایمتفاوت. ۱۱۲
شکل‏۳‑۱۲: اثرضخامتغشاءبررویمقاومتاهمیکپیل. ۱۱۳
شکل‏۳‑۱۳: منحنیقطبیتبهازایضخامتغشاءهایمختلف. ۱۱۴
 
فهرست جدول ها
جدول‏۲‑۱: مساحتموثرکاتالیستبرایدرصدهایمختلفپلاتین–کربن. ۴۰
جدول‏۲‑۲: پارامترهایعملکردی،فیزیکیوسینیتکیمدل (حالتپایه). ۷۱
جدول‏۲‑۳: رتبهبندیاثرپارامترهایساختاریوعملکردیبرچگالیتوانپیلسوختی. ۸۵
جدول‏۳‑۱: پارامترهایساختاری،عملکردیوسینیتکیبرایحالتپایه. ۱۰۲

 

  •  سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های مقطع ارشد می باشد برای جستجو در بقیه پایان نامه ها می توانید کلمه کلیدی مورد نظر خود را در سایت جستجو نمایید:

     
    Widget not in any sidebars
       

علائم اختصاری 
مساحت در واحد جرم سطح واقعی انجام واکنش m2/kgAs
شیب منحنی تافل در معادله (۱- ۴)va
ضریب فعالیت آب در معادله (۳- ۲۷)a
مساحت در واحد حجم سطح قابل نفوذ برای کل توده هاm2/m3aagg
مساحت در واحد حجم سطح مؤثر پلاتین m2/m3aeff
ضریب افت غلظت vB
غلظت mol/m3C
ضریب نفوذ m2/sD
ضریب تأثیرEr
ولتاژ بازگشت پذیرvErev
ثابت فارادی C/mol 96385.3415F
ثابت هانریatm.m3/molH
چگالی جریانA/m2I, i
شار مولی mol/m2.sJ
ثابت نیم واکنش ۱/sKc
ضریب قابلیت هدایت پروتونی S/mK
کسر حجمی اجزاءL
ضخامت غشاء mLmem
بارگذاری جرمیm2/kgm
جرم مولکولی kg/molM
تعداد الکترون های انتقالی به ازای یک مول مصرف سوختn
شار مولی اجزاءmol/m2.sN
فشار atmP
چگالی توان پیل w/m2Pcell
بار الکتریکی CQ
نرخ مصرف حجمی mol/m3.sR
ثابت جهانی گازها J/mol.K 8.314R
مقاومت اهمیکW.m2ROhmic
مقاومت نفوذ اکسیژن از طریق فاز غشاء s/m2
مقاومت نفوذ اکسیژن از طریق آبs/m2
مختصات شعاعی mr
دما KT
حجم توده m3Vagg
حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال m3/mol 25.6
کسر مولی اجزاءX
مختصه مکانی در دستگاه مختصات mZ
  
علائم یونانی 
نسبت شار مولیa
ضریب انتقال بار آند و کاتدac,aa
ضخامت md
تخلخلe
مدول تایلیf
افت ولتاژ vh
محتویات آب غشاءl
ویسکوزیته آب cPm
زاویه فاز هر جزءq
چگالی kg/m3r
قابلیت هدایت الکترونی S/ms
پارامتر وابستگیy
ضریب استکیومتریz
  
زیرنویس ها و بالانویس ها 
مؤثرeff
تبادلی۰
بی بعد*
میانگین¯
فعال سازیact
تودهagg
کربنC
لایه کاتالیستCL
آیونومرi
آیونومر درون تودهi,agg
محدود کنندهL
جریان داخلیn
اکسیژن در سطح خارجی تودهO2,l
اکسیژن نفوذی در غشاءO2,N
اکسیژن در سطح داخلی تودهO2,s
اکسیژن نفوذی در آبO2,w
ذرات پلاتین – کربنPt/C
واکنش دهندهR
مرجعref
جامدs
اشباعsat
آب آندw,a
آب کاتدw,c

 
 

۱- فصل اول

مقدمه

۱-۱-   مقدمه

 
امروزه به دلیل بحران آلودگی هایزیستمحیطیناشی از مصرف سوخت هایفسیلیروش های پاک تولیدانرژی از اهمیتویژه ای برخوردار است. بشر به سبب افزایشآلودگی و کاهش منابع سوخت طبیعی مجبور به یافتن راه حلی شد که در اینفرآیند،تولیدانرژی از طریقهیدروژن کشف شد. در طی مطالعات و آزمایشاتی که برایتولیدانرژی از طریقهیدروژن انجام می گردیدوسیله ای که هیدروژن را به عنوان سوخت استفاده می کردپیلسوختینامیدند. سیستم هایپیل هایسوختی به عنوان یکی از گزینه هایتولیدانرژی پاک محسوب می شوند. توان تولید شده اینسیستم هایک گستره وسیعبین چند وات تا چند هزار کیلو وات را شامل می شود، به طوریکهاینسیستم هااز یک سوتامین کننده توان مورد نیازبراییکبیمارستان و یایک واحد ساختمانی به عنوان کاربرد ساکن، و از سویدیگرتامین کننده بخشی از توان مورد نیازیک فضا پیما، وسیلهنقلیه، لپ تاپ و یاحتی قلب مصنوعی به عنوان کاربردهای متحرک می باشند [۱]. دانشمندان معتقد بودند که هیدروژنمی تواند راه حلیکارآمدبرایتأمین بخشی ازنیازهایانرژیدنیا در آینده باشد. پیلسوختییکوسیله ای است که هیدروژن و اکسیژن را ترکیب کرده و آب و الکتریسیتهتولیدمی کند. انرژیتولید شده توسط پیلسوختیمی تواند در مصارف روزمره استفاده گردد.پیلسوختیمزایایبسیاری نسبت به وسایل مرسوم تولیدانرژی دارد از جمله این مزایا راندمان بالا،عدم ایجاد سر و صدا و آلودگیاست.
ساخت لایه های مختلف پیلسوختینظیرلایه های نفوذ گاز، صفحات دو قطبی، غشاء و لایهکاتالیستدشوار بوده و نیازمندفناوریپیشرفته ایمی باشد. چون در ساخت این لایه­ها از موادی نظیر فیبر بسیار نازک کربن، آیونومر، نفیون و … استفاده می­شود که فرآوری آن­ها نیازمند یک پروسه پیشرفته و دشوار می­باشد و در انحصار کشورهای خاصی قرار دارد، همچنین مراحل ساخت برخی از این لایه­ها نظیر لایه کاتالیست که شامل فاز جامد، فاز غشاء و فضای خالی است بسیار پیچیده می­باشد. بنابراین بدون انجام یکمدل سازی کامل از کل لایه هایپیلسوختی، ساخت یک توده[۱]پیلسوختیکار دشواری خواهد بود.همچنین ممکن است پیل ساخته شده از نظر هزینه های تمام شده مقرون به صرفه نباشد. به منظور بررسیکارایی و عملکرد پیل هایسوختی،بایدلایههای مختلف یکپیلسوختی را مورد مطالعه قرار داده و شبیه سازی نمود. در اینپایان نامهمدل سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می پذیرد، و تمامیلایه هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه سازیمی شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده ایمی باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش بینیمی کندهمچنین در حالتی که اندازه توده­ها به سمت صفر می­رود(توده­های بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده می­شود. لایه های نفوذ گاز نیزکه در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با بهره گرفتن از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی شود. این عملکرد با کسر نمودن افت های مربوط به ولتاژ فعال سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژپیل بدست می آید. در اینپایان نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می گردد تا افت هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می پذیرد.
[۱]stack
تعداد صفحه :۱۴۹
قیمت : ۱۴۷۰۰تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com