آموزش شبیه سازی پیل سوختی (PEMFC)

آموزش شبیه سازی پیل سوختی (PEMFC)


500,000 تومان

آخرین بروزرسانی : 30 آذر, 1400

بررسی اجمالی محصول

با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی پیل سوختی (PEMFC) در نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.


تمامی محصولات شامل فایل های Geometry و Mesh بوده و آموزش محصولات به صورت یک جلسه آنلاین یک ساعته خواهد بود.

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی پیل سوختی (PEMFC)

مقدمه ­ای بر پیل­ های سوختی

پیل سوختی دستگاهی است که از طریق یک واکنش شیمیایی برق تولید می ­کند. پیل­ های سوختی از دو قطب الکتریکی یا همان الکترود تشکیل شده اند که کاتد و آند نام دارند. درواقع، واکنش ­های شیمیایی درون این الکترودها صورت می ­گیرد و منجر به تولید الکتریسیته می­ گردد. علاوه براین، هر پیل سوختی دارای الکترولیت و کاتالیست نیز می ­باشد؛ به طوری که وظیفه­ الکترولیت جابه‌­جایی ذرات باردار بین الکترودهاست، و وظیفه­ کاتالیست­ ها افزایش سرعت واکنش ­ها در الکترودها می­ باشد. یکی از قابلیت­ های مهم این پیل­ های سوختی، تولید الکتریسیته با کمترین میزان آلودگی می­ باشد. هیدروژن سوخت اصلی ورودی به پیل می ­باشد، اما برای شکل­ گیری واکنش، به وجود اکسیژن نیز نیاز است. درنهایت، بیشترین مقدار اکسیژن و هیدروژن ورودی به پیل، به صورت یک محصول بی­ خطر (همان آب) از پیل خارج می­ گردد. از آنجایی که هر پیل سوختی فقط مقدار خیلی کمی جریان مستقیم برق تولید می­ کند، معمولاً سعی می­ شود که تعداد زیادی پیل در دسته­ های بزرگی که پشته یا همان stack نامیده می­ شوند، برای تولید برق مورد استفاده قرار ­بگیرند. مزیت پیل­ های سوختی در مقایسه با دیگر منابع و روش ­های تولید برق این است که پیل سوختی با استفاده از واکنش شیمیایی و بدون نیاز به واکنش احتراق برق تولید می ­کند؛ درنتیجه، این پیل­ های سوختی بهینه ­تر و کارآمدتر و کم ­هزینه­ تر عمل می­ کنند. نکته­ منفی این پیل­ ها این است که با وجود طرز کار نسبتاً ساده­ این پیل ­ها، ساخت آنها کار بسیار دشواری می­ باشد.

 

 

شرح مسأله

مسأله­ حاضر به شبیه­ سازی یک پیل سوختی پرداخته است. پیل سوختی مورد استفاده در این شبیه ­سازی از نوع غشاء الکترولیتی پلیمری (polymer electrolyte membrane fuel cell) است. مدل از دو بخش اصلی کاتد و آند تشکیل شده است که هر یک از چهار لایه شامل کلکتور جریان، کانال جریان، ناحیه­ پخش گونه­ گازی و بخش کاتالیستی تشکیل شده ­اند و فضای بین لایه ­های آند و کاتد توسط غشاء پلیمری پر شده است. ضمناً از آنجایی که در مدلسازی پیل­ های سوختی، گونه ­های گازی مختلفی در مدل واکنش می ­دهند، ماژول مربوط به گونه ­های گازی (species transport) نیز در شبیه ­سازی به صورت خودکار فعال م ی­گردد. گونه گازی هیدروژن از ورودی کانال آندی و گونه­ گازی اکسیژن از ورودی کانال کاتدی وارد می ­شود تا واکنش­ های مربوطه در پیل سوختی اتفاق بیفتند و غشاء پلیمری نیز مسیر عبور گونه­ های گازی می ­باشد. کلکتورهای جریان از جنس ماده­ جامد و دارای منابع انرژی حرارتی و پتانسیل الکتریکی می­ باشند. کانال­ های جریان حامل مخلوطی از گونه­ های گازی شامل اکسیژن، هیدروژن و آب می­ باشد. بخش کاتالیستی شامل محیط متخلخل با ضریب تخلخل 0.5 می­ باشد و دارای منابع جرمی، انرژی حرارتی، پتانسیل الکتریکی، پتانسیل پروتونی، آب اشباع، مقدار آب و گونه ­های گازی هیدروژن، اکسیژن و آب می ­باشد. ناحیه­ پخش گونه ­های گازی شامل محیط متخلخل با ضریب تخلخل 0.5 می­ باشد و دارای منابع جرمی، انرژی حرارتی، پتانسیل الکتریکی، آب اشباع و گونه ­های گازی هیدروژن، اکسیژن و آب می­ باشد. ناحیه­ غشاء پلیمری نیز از محیط متخلخل با ضریب تخلخل 0.5 تشکیل شده و دارای منابع انرژی حرارتی و پتانسیل پروتونی می ­باشد. ضمناً از آنجایی که باید مقدار آب (water content) درون مدل صفر باشد، از مقدار ثابت (fixed value) برای تعریف مقدار آب برابر صفر استفاده شده است. هدف از مسأله­ حاضر، بررسی رفتار سیالاتی و انتقال حرارتی یک پیل سوختی پلیمری و همچنین تأثیر آن بر کسر جرمی گونه ­های گازی و میزان شدت جریان برق تولیدی در پیل می­ باشد.

 

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه ­بندی

هندسه­ مدل حاضر به صورت سه­ بعدی و با استفاده از نرم ­افزار design modeler طراحی شده است. مدل حاضر ساختاری متقارن دارد و از نه ناحیه شامل هفت ناحیه­ مخصوص جریان سیال (کانال جریان کاتد و آند، ناحیه­ گونه­ های گازی کاتد و آند، بخش کاتالیستی کاتد و آند و غشاء پلیمری) و همچنین دو ناحیه­ مخصوص جریان جامد شامل کلکتور جریان کاتدی و آندی تشکیل شده است.

 

 

شبکه ­بندی مدل حاضر توسط نرم ­افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه ­بندی به صورت با سازمان انجام شده و تعداد سلول ­ها معادل 142000 می ­باشد.

 

 

گام 2) مراحل شبیه ­سازی

برای شبیه­ سازی حاضر از چند فرض استفاده شده است:

  • حل مسأله بر اساس دیدگاه pressure-based انجام گرفته است.
  • شبیه ­سازی مذکور از نظر زمانی به صورت پایا (steady) می­ باشد.
  • اثر گرانش زمین بر روی مدل نادیده گرفته شده است.

 

خلاصه ­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

 

تعریف پیل سوختی : هدف اصلی در پیل­ های سوختی، تولید جریان برق می ­باشد. در پیل­ های سوختی، واکنش­ های شیمیایی عامل اصلی تولید برق می ­باشند. هر پیل سوختی از دو کانال مخصوص آند و کاتد تشکیل شده که این کانال­ ها درون کلکتور­هایی تحت عنوان کاتد (cathode collector) و آند (anode collector) قرار گرفته ­اند؛ به طوری که این کلکتورها در دو طرف ساختمان پیل سوختی (بالا و پایین یا چپ و راست) قرار گرفته و پنج لایه نیز در بین این دو کلکتورها قرار گرفته است. این لایه­ ها به ترتیب شامل لایه نفوذ گاز در آند (anode gas diffusion)، ناحیه­ کاتالیست آند (anode catalyst)، ­غشاء الکترولیتی (electrolyte membrane)، لایه نفوذ گاز در کاتد (cathode gas diffusion) و ناحیه­ کاتالیست کاتد (cathode catalyst) می­ باشند. مکانیزم عملکردی این پیل­ ها بدین صورت است که اتم ­های هیدروژن به کلکتور آند پیل وارد شده و در ناحیه­ کاتالیست آند، در یک واکنش شیمیایی یونیزه می­ شوند، یعنی اتم­ های هیدروژن دارای بار مثبت شده و الکترون­ های آزاد تولید می­ کنند. سپس الکترون ­های جدا شده از هیدروژن، جریان برق داخل سیم را شکل می­ دهند. جریان برق پس از عبور از سیم، دوباره به پیل سوختی برمی­ گردد تا یک مدار را تشکیل بدهد. از طرفی دیگر، اکسیژن به کلکتور کاتود وارد شده و با الکترون هایی که از طریق مدار برمی ­گردند و همچنین یون­ های مثبت هیدروژن که از طریق غشاء الکترولیت از آند عبور کرده ­اند، واکنش نشان می­ دهد که نتیجه­ آن تولید آب خواهد بود که از پیل خارج می­ گردد. به طور کلی می­توان نتیجه گرفت که تا زمانی که ورودی هیدروژن و اکسیژن پیل سوختی تأمین شود، برق نیز تولید می­ گردد. به طور کلی در ساخت پیل­ ها، مهم­ترین بخش که دارای محدودیت­ های بسیار زیادی می­ باشد، انتخاب الکترولیت می ­باشد. الکترولیت­ ها نقش کلیدی در پیل­ ها ایفا می­ کنند، به گونه­ ای که باید به یون­ های مشخصی اجازه­ عبور بین کاتد و آند را بدهد و اگر به ­طور اشتباهی الکترون­ های آزاد و یا ذرات اضافی دیگر از الکترولیت عبور کنند، واکنش شیمیایی را دچار اختلال خواهد کرد. پیل ­های سوختی انواع مخالفی دارند که می­ توان به PEMFC ، SOFC و Electrolysis اشاره کرد.

پیل سوختی با غشاء تبادل پروتون یا PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cells) از یک الکتورولیت پلیمری تشکیل شده است که در قالب یک صفحه­ نازک و نفوذپذیر درآمده است. بازدهی آن بین 50 تا 60 درصد و دمای کاری آن حدوداً 80 درجه­ سانتی­گراد است و دارای توان خروجی بین 50 الی 250 کیلوواتی می­ باشد. الکترولیت به کارگرفته شده، به صورت جامد، انعطاف­ پذیر، نشتی ­ناپذیر و غیرقابل ترک می ­باشد. ویژگی این نوع پیل­ ها، قابلیت کار در دمای پایین بوده و دارای کاربردهای خانگی و درون خودرو می ­باشد، اما سوخت آنها باید تصفیه و خالص گردد.

پیل­ های اکسید جامد یا SOFC) solid oxide fuel cells) از نوعی اکسید فلز استفاده می­ کنند که دارای ترکیب سرامیکی و سخت می­ باشد. بازدهی این پیل­ ها حدود 60 درصد و دمای کاری آنها تقریباً 1000 درجه­ سانتی­گراد می ­باشد و دارای توان خروجی 100 کیلووات می ­باشد. از آنجایی که این پیل ­ها در دمای بالایی کار می ­کنند، کاربری آنها محدود شده است.

 

شبیه ­سازی پیل سوختی نوع PEMFC : در شبیه ­سازی حاضر، از پیل سوختی نوع PEMFC استفاده شده است. شکل زیر شماتیکی از این نوع پیل سوختی شامل اجزاء تشکیل دهنده­ آن و نوع واکنش ­های موجود در آن را نشان می ­دهد.

 

 

جهت فعالسازی معادلات مربوط به پیل سوختی باید دستورات زیر را در پنجره­ console نرم ­افزار فلوئنت وارد کرد تا ماژول مربوط به پیل های سوختی یا (fuel cells and electrolysis (PEMFC در بخش models اضافه گردد:

 

روابط حاکم بر مدل: در یک پیل سوختی، واکنش احتراق هیدروژن درواقع به دو نیم ­واکنش الکتروشیمیایی تقسیم می ­شود:

در واکنش اول، چون الکترون ­ها توسط واکنش آزاد می ­شوند، به آن اکسایش می ­گویند؛ در حالی که در واکنش دوم، چون الکترون ­ها در واکنش مصرف می­ شوند، به آن کاهش می­ گویند. ضمناً آند به الکترودی می­ گویند که در آن الکترون آزاد می­ شود؛ در حالی که کاتد به الکترودی می ­گویند که در آن الکترون مصرف می ­شود.

معادله­ انرژی در پیل­ های سوختی به صورت زیر می­ باشد:

طبق رابطه­ بالا، منبع حجمی انرژی شامل گرمادهی مقاومتی (اهمی) جریان یا همان joule heating، گرمای حاصل از واکنش منجر به تشکیل آب یا همان reaction heating، کار الکتریکی و گرمای نهان آب می­ باشد.

براساس ولتاژ پیل سوختی که تعیین می­ گردد، مقدار چگالی شدت جریان یا current density (میزان آمپر بر واحد سطح) محاسبه می ­شود؛ همان­طور که ولتاژ پیل می­تواند براساس چگالی جریان تعریف شده، محاسبه شود. در بخش مدلسازی الکتروشیمی، محاسبات نرخ اکسیداسیون هیدروژن و نرخ کاهش اکسیژن انجام می­ گیرد. این فرایندهای الکتروشیمیایی تحت عنوان واکنش ­های ناهمگن که بر روی صفحات کاتالیستی درون دو لایه­ کاتالیستی در دو طرف لایه­ غشایی اتفاق می­ افتند، رفتار می­ کنند. نیروی محرک یا پیشران پشت این واکنش ­ها همان اختلاف بین پتانسیل جامد و پتانسیل الکترولیت یا غشاء می ­باشد. از این­رو، دو معادله­ پتانسیل در مدل PEM حل می­ شود که یک معادله­ برای انتقال الکترون (e) در طول مواد رسانای جامد یعنی کلکتورهای جریان و شبکه ­های جامد محیط متخلخل می­ باشد، و دیگری انتقال پروتونیک (protonic) یا یونی H+ می ­باشد که به صورت زیر نوشته می شوند:

در واکنش­ های بالا، σ بیانگر رسانایی الکتریکی، φ بیانگر پتانسیل الکتریکی، R بیانگر جریان انتقالی حجمی، sol نماد جامد و mem نماد غشاء می­ باشد.

 

تعریف شرایط مرزی: از آنجایی که هیچ جریان پروتونیکی، پیل سوختی را در مرزهای خارجی ترک نمی ­کند، لذا شرط مرزی شار صفر برای پتانسیل غشایی (φmem) روی همه­ مرزهای خارجی اعمال می­ شود. برای پتانسیل جامد (φsol)، مرزهای خارجی روی کاتد و آند وجود دارد که در تماس با مدار الکتریکی خارجی بوده و فقط جریان الکتریکی تولید شده از طریق این مرزها در پیل سوختی عبور می­ کند. بر روی سایر مرزهای خارجی، شرط مرزی شار صفر برای پتانسیل جامد وجود دارد. برای مرزهای تماسی خارجی نیز باید از یک مقدار ثابت برای φsol استفاده کرد؛ به ­طوری که اگر مقدار صفر برای بخش آند فرض شود، مقدار مثبت تعریف شده در بخش کاتد به عنوان ولتاژ پیل محسوب می ­شود. بدین ترتیب، برای تعریف پتانسیل الکتریکی و پتانسیل پروتونیک در تمام دیواره­ های خارجی مدل حاضر، از شار مشخص (specific flux) و برابر صفر استفاده شده است؛ در حالی که فقط برای دو دیواره­ خارجی بالای کلکتور آند و پایین کلکتور کاتد که تعیین کننده­ اختلاف پتانسیل مدار موجود در پیل می ­باشند، فقط برای تعریف پتانسیل الکتریکی از مقدار مشخص (specific value) استفاده شده است که همان­طور که پیش از این گفته شده بود، مقدار پتانسیل در آند صفر فرض شده و درنتیجه، فقط مقدار 0.5 برای پتانسیل الکتریکی کاتد تعریف شده است. همچنین در ورودی آند، کسر جرمی هیدروژن برابر 0.7 و آب برابر 0.3 و اکسیژن و نیتروژن برابر صفر می ­باشد؛ در حالی که در ورودی کاتد، کسر جرمی هیدروژن برابر صفر و آب برابر 0.14 و نیتروژن برابر 0.66 و اکسیژن برابر 0.2 می­ باشد.

 

تنظیمات ماژول PEMFC: ترم­ های منبع (source terms) در معادلات پتانسیل به وسیله­ معادلات زیر به دست می­ آیند:

در رابطه­ بالا، jref بیانگر چگالی جریان مرجع یا ref. current density، [ ] و [ ]ref به ترتیب بیانگر غلظت محلی گونه­ گازی و غلظت مرجع یا ref. concentration، و ɣ بیانگر نمای غلظت یا concentration exponent ، 𝛂 بیانگر ضریب تغییر یا exchange coefficient و F بیانگر ثابت فارادی برابر 9.65*107 C/kgmol می ­باشد. مقادیر پارامترهای مذکور، هم برای بخش کاتد و هم برای بخش آند، در نرم ­افزار وارد می ­شوند. این مقادیر مطابق جدول زیر در نرم ­افزار وارد شده ­اند:

 

 

همچنین η به عنوان نیروی پیشران یا local surface over-potential برابر اختلاف پتانسیل بین پتانسیل جامد (φsol) و پتانسیل غشاء (φmem) می ­باشد که طبق رابطه­ ها­ی زیر تعریف می ­شوند:

در رابطه­ بالا، Voc تحت عنوان open-circuit voltage معادل پتانسیل الکتریکی کسب شده در اثر عبور از بخش آند به بخش کاتد می ­باشد؛ به طوری که این مقدار معمولاً بین 0.9 تا 1.2 تعریف می ­شود.

واکنش ­ها به عنوان واکنش­ های سطحی در دو لایه­ کاتالیستی رفتار می ­کنند، و این فرض شده که شار نفوذی یا پخشی هر یک از گونه­ های واکنشی به وسیله­ نرخ محصول موازنه شده است.

در رابطه بالا، Di پخش یا نفوذ جرمی گونه ­های گازی یا ref. diffusivity و yi کسر جرمی هر گونه­ گازی را در مرکز پیل یا سطح واکنش نشان می­ دهد.

گزینه­ joule hating بیانگر گرمادهی مقاومتی جریان، گزینه­ reaction heating بیانگر انرژی تولید شده در واکنش شیمیایی، گزینه­ Bulter-volmer rate تعیین کننده­ مقدار انتقال جریان درون لایه­ های کاتالیستی، گزینه­ی membrane water transport بیانگر میزان انتقال آب از درون غشاءها و گزینه­ multiphase برای استفاده در مواردی که انتقال مایع درون لایه ­های نفوذی گازی تخمین زده می ­شوند، به کار می ­روند.

در سربرگ تنظیمات مربوط به anode و cathode در ماژول پیل سوختی، باید نواحی مربوط به ساختمان یک پیل سوختی با استفاده از zone یا نواحی موجود در مدل تعریف گردند. یک پیل سوختی از چهار ناحیه شامل کلکتور شدت جریان (current collector)، کانال جریان (flow channel)، ناحیه­ پخش گونه­ گازی (porous electrode) و ناحیه­ کاتالیستی (TPB layer) تشکیل شده است که هریک از نواحی مذکور، هم برای بخش کاتدی و هم برای بخش آندی پیل می­ باشند.

در سربرگ electrolyte باید ناحیه­ غشایی پیل سوختی را تعریف کرد که با توجه به ساختمان مدل قسمت مرکزی آن محسوب می­ شوند. در بخش zone باید ناحیه­ غشایی را که پیش از این تحت عنوان membrane نام­گذاری شده بود، تعریف نمود.

رسانایی الکتریکی بخش غشایی پیل سوختی طبق رابطه­ زیر محاسبه می­ شود:

در رابطه­ بالا، β و ω به ترتیب بیانگر ضریب رسانش پروتونیک یا protonic conduction coefficient و نمای رسانش پروتونیک یا protonic conduction exponent می ­باشد. همچنین λ بیانگر مقدار آب موجود در پیل (آب تولید شده) یا water content در حین شبیه­ سازی می ­باشد.

در سربرگ reports باید مساحت سطح مقطع مربوط به ناحیه­ غشاء مرکزی یا الکترولیت بر حسب مترمربع تعریف گردد که در مدل حاضر برابر با 2*e-5 m2 می ­باشد. از مساحت الکترولیتی فقط برای محاسبه­ چگالی شدت جریان یا current density در پیل سوختی استفاده می ­شود. همچنین در بخش سطوح تماس خارجی مدل (external contact interfaces)، سطوح یا دیواره ­های خارجی مربوط به کاتد و آند تعریف می ­گردد؛ به طوری که با توجه به نامگذاری صورت گرفته در این مدل، دیواره ­ها یا سطوح cc-an و cc-ca به عنوان سطوح تماس خارجی تعریف شده ­اند. از این سطوح جهت گزارش مقدار ولتاژ موجود در دو سر پیل سوختی استفاده می ­شود.

از سربرگ advanced برای تعریف پیل­ های سوختی خاص استفاده می­شود؛ به عنوان مثال، از حالت contact resistivity برای مواردی استفاده می­ شود که بین بعضی از سطوح تماس پیل، یک جامپ یا پرش در پتانسیل الکتریکی ناشی از رسانش ناقص اتفاق بیفتد، از حالت coolant channel برای مواردی استفاده می­ شود که در پیل سوختی کانال­ های خنک­ کاری وجود دارد، و از حالت stack management برای زمانی استفاده می­ شود که چندین واحد پیل سوختی برای افزایش بازدهی با یک­دیگر ترکیب شوند.

 

گام 3) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو­ بعدی و سه­ بعدی مربوط به توزیع دما، فشار، سرعت، کسر جرمی گونه­ی گازی هیدروژن (H2)، کسر جرمی گونه­ گازی اکسیژن (O2)، چگالی شدت جریان (current density) و مقدار آب تولیدی در پیل (water content) ترسیم شده ­اند. کانتورهای دو ­بعدی بر روی صفحه­ yoz و در سطح مقطعی در وسط پیل ترسیم شده ­اند. همچنین همه­ کانتورها فقط در نواحی حاوی جریان سیال در نظر گرفته شده ­اند.

 

 

 

دیدگاه

دیدگاهی ثبت نشده.

اولین نفری باشید که نظر می دهید برای “آموزش شبیه سازی پیل سوختی (PEMFC)”