شبیه سازی سه بعدی پیل سوختی غشا پلیمری دمابالا با ترکیب جدید بر پایه ترکیب مایعات یونی دی‌کاتیونی و پلی‌بنزیمیدازول

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 هیات علمی دانشگاه امیر کبیر

3 گروه شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران- پژوهشکده انرژیهای تجدیدپذیر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

4 گروه شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران- پژوهشکده انرژیهای تجدیدپذیر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

5 گروه مهندسی شیمی، دانشگاه شهید چمران، اهواز

چکیده

در این مطالعه، مدلی سه‌بعدی و پایا برای غشاء نوین هدایت پروتون شامل مایعات یونی دی کاتیونی که مناسب پیل‌های سوختی پلیمری دمابالا در محیط بی‌آب بوده، ارائه‌شده است. برای توسعه چنین مدلی پس از تهیه مدل هندسی سه‌بعدی و شبکه‌بندی آن، معادلات مومنتوم، جرم و بار الکتریکی در نواحی مختلف پیل شامل محیط‌های متخلخل الکترودها، کانال‌های گاز و محیط‌های جامد مانند جمع کننده‌های جریان، گسسته سازی شده و با در نظر گرفتن اتلاف‌های موجود در پیل و بر اساس منابع حاصل از مدل الکتریکی و الکتروشیمیایی حل گردیده است. همچنین واکنش‌های الکتروشیمیایی در سطوح فعال آند و کاتد و انتقال یونی در الکترولیت لحاظ شده است. معادلات با نرم‌افزار دینامیک سیالات محاسباتی و روش المان محدود در بازه 95/0-4/0 ولت با طول پله 05/0 حل گردیده است. فرآیند حل به‌صورت غیرخطی و روش نیوتن برای گسسته سازی معادلات دیفرانسیل جزئی با تلورانس 001/0 انجام‌گرفته است. تعداد 20640 شبکه‌بندی برای محاسبات عددی صورت گرفته و تعداد تکرار 50 می‌باشد. آزمون عدم وابستگی شبیه‌سازی به مش بندی صورت گرفته که با اندازه‌های مختلف مش‌ها، اختلاف نتایج کمتر از 1% بوده که عدم وابستگی نتایج به‌اندازه مش‌ها را تائید می‌کند. درنهایت مقایسه نتایج حاصل با داده‌های تجربی با نمودار ولتاژ-چگالی جریان به‌عمل‌آمده است. این منحنی تطابق بسیار مطلوبی (خطا کمتر از 4%) را بین نتایج مدلسازی حاضر و داده‌های تجربی نشان داده که اعتبار این مطالعه را تائید می‌کند. همچنین توزیع غلظت‌های واکنشگرها و محصولات در نقاط مختلف پیل محاسبه‌شده و تاثیر شرایط عملیاتی بر عملکرد پیل بررسی گردیده است و این مدل توانایی پیش‌بینی رفتار پیل سوختی غشاء پلیمری دمابالا را در شرایط مختلف عملیاتی دارا می‌باشد.

کلیدواژه‌ها