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
| علائم اختصاری | |
| مساحت در واحد جرم سطح واقعی انجام واکنش m2/kg | As |
| شیب منحنی تافل در معادله (۱- ۴)v | a |
| ضریب فعالیت آب در معادله (۳- ۲۷) | a |
| مساحت در واحد حجم سطح قابل نفوذ برای کل توده هاm2/m3 | aagg |
| مساحت در واحد حجم سطح مؤثر پلاتین m2/m3 | aeff |
| ضریب افت غلظت v | B |
| غلظت mol/m3 | C |
| ضریب نفوذ m2/s | D |
| ضریب تأثیر | Er |
| ولتاژ بازگشت پذیرv | Erev |
| ثابت فارادی C/mol 96385.3415 | F |
| ثابت هانریatm.m3/mol | H |
| چگالی جریانA/m2 | I, i |
| شار مولی mol/m2.s | J |
| ثابت نیم واکنش ۱/s | Kc |
| ضریب قابلیت هدایت پروتونی S/m | K |
| کسر حجمی اجزاء | L |
| ضخامت غشاء m | Lmem |
| بارگذاری جرمیm2/kg | m |
| جرم مولکولی kg/mol | M |
| تعداد الکترون های انتقالی به ازای یک مول مصرف سوخت | n |
| شار مولی اجزاءmol/m2.s | N |
| فشار atm | P |
| چگالی توان پیل w/m2 | Pcell |
| بار الکتریکی C | Q |
| نرخ مصرف حجمی mol/m3.s | R |
| ثابت جهانی گازها J/mol.K 8.314 | R |
| مقاومت اهمیکW.m2 | ROhmic |
| مقاومت نفوذ اکسیژن از طریق فاز غشاء s/m2 | |
| مقاومت نفوذ اکسیژن از طریق آبs/m2 | |
| مختصات شعاعی m | r |
| دما K | T |
| حجم توده m3 | Vagg |
| حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال m3/mol 25.6 | |
| کسر مولی اجزاء | X |
| مختصه مکانی در دستگاه مختصات m | Z |
| علائم یونانی | |
| نسبت شار مولی | a |
| ضریب انتقال بار آند و کاتد | ac,aa |
| ضخامت m | d |
| تخلخل | e |
| مدول تایلی | f |
| افت ولتاژ v | h |
| محتویات آب غشاء | l |
| ویسکوزیته آب cP | m |
| زاویه فاز هر جزء | q |
| چگالی kg/m3 | r |
| قابلیت هدایت الکترونی S/m | s |
| پارامتر وابستگی | y |
| ضریب استکیومتری | z |
| زیرنویس ها و بالانویس ها | |
| مؤثر | eff |
| تبادلی | ۰ |
| بی بعد | * |
| میانگین | ¯ |
| فعال سازی | act |
| توده | agg |
| کربن | C |
| لایه کاتالیست | CL |
| آیونومر | i |
| آیونومر درون توده | i,agg |
| محدود کننده | L |
| جریان داخلی | n |
| اکسیژن در سطح خارجی توده | O2,l |
| اکسیژن نفوذی در غشاء | O2,N |
| اکسیژن در سطح داخلی توده | O2,s |
| اکسیژن نفوذی در آب | O2,w |
| ذرات پلاتین – کربن | Pt/C |
| واکنش دهنده | R |
| مرجع | ref |
| جامد | s |
| اشباع | sat |
| آب آند | w,a |
| آب کاتد | w,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
