جهاد دانشگاهی-پژوهشکده توسعه صنایع شیمیایی ایران نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران 1022-7768 40 3 2021 11 22 Three-Dimensional Modeling and Simulation of a High-Temperature PEM Fuel Cell with Novel Composite Membranes based on Dicationic Ionic Liquid and Polybenzimidazole Mixtures مدل سازی و شبیه سازی سه بعدی پیل سوختی غشای پلیمری دمابالا با ترکیب نوین بر پایه ترکیب مایع های یونی دی کاتیونی و پلی بنزیمیدازول 187 199 37269 FA ایمان امیدی بی بالانی دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران داوود ایرانشاهی دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران خدیجه هوشیاری دانشکده شیمی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران مهران جوانبخت گروه شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران- پژوهشکده انرژی های تجدیدپذیر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران 0000-0003-2522-9736 مرتضی مرادی گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران Journal Article 2017 11 16 In the current paper, a three-dimensional, steady-state model has been introduced for novel proton exchange membranes (PEM) containing dicationic ionic liquids appropriatefor elevated temperature fuel cells under an anhydrous environment. Development of such a model requires utilizing the 3D geometry and detailed mesh grid and discretization of momentum. Mass and electric charge balance equations were solved based on the information obtained from electrical and electrochemical models within various areas of the cell such as porous electrodes, gas channels, and the solid parts and current collector, especially. Additionally, a description of the electrochemical reactions on the active sites of the anode and cathode electrodes, and ions' movement through the electrolyte is considered. The equations were solved by applying a finite element method solver. Finally, the results of the model are compared with the experimental data (current density-voltage graph). This graph shows a good correlation between the model and experiments validating the present simulation. This model is also able to predict PEMFC behavior under different operational conditions در این مطالعه، مدلی سه‌بعدی و پایا برای غشای نوین هدایت پروتون شامل مایع های یونی دی کاتیونی که مناسب پیل های سوختی پلیمری دمابالا در محیط بی‌آب بوده، ارایه‌شده است. برای توسعه چنین مدلی پس از تهیه مدل هندسی سه بعدی و شبکه بندی آن، معادله های مومنتوم، جرم و بار الکتریکی در ناحیه های گوناگون پیل شامل محیط های متخلخل الکترودها، کانال های گاز و محیط های جامد مانند جمع کننده‌های جریان، گسسته سازی شده و با در نظر گرفتن اتلاف های موجود در پیل و بر اساس منابع به دست آمده از مدل الکتریکی و الکتروشیمیایی حل شده است. همچنین واکنش‌های الکتروشیمیایی در سطح فعال آند و کاتد و انتقال یونی در الکترولیت لحاظ شده است. معادله ها با نرم‌افزار دینامیک سیالات محاسباتی و روش المان محدود در بازه 95/0 ـ 4/0 ولت با طول پله 05/0 حل شده اند. فرایند حل به‌صورت غیرخطی و روش نیوتن برای گسسته سازی معادله های دیفرانسیل جزئی با تلورانس 001/0 انجام‌گرفته است. تعداد 20640 شبکه‌بندی برای محاسبه های عددی صورت گرفته و تعداد تکرار 50 می‌باشد. آزمون نبود وابستگی شبیه‌سازی به مش بندی صورت گرفته که با اندازه های گوناگون مش ها، اختلاف نتیجه ها کم تر از 1% بوده که نبود وابستگی نتیجه ها به‌اندازه مش ها را تأیید می کند. سرانجام مقایسه نتیجه های به دست آمده با داده‌های تجربی با نمودار ولتاژ ـ چگالی جریان به‌عمل‌آمد. این منحنی تطابق بسیار خوبی (خطا کمتر از 4%) را بین نتیجه های مدل سازی حاضر و داده‌های تجربی نشان داده که اعتبار این مطالعه را تأیید می کند. همچنین توزیع غلظت های واکنشگرها و فراورده ها در نقطه های گوناگون پیل محاسبه‌شده و تأثیر شرایط عملیاتی بر عملکرد پیل بررسی شده است و این مدل توانایی پیش‌بینی رفتار پیل سوختی غشای پلیمری دما بالا را در شرایط گوناگون عملیاتی دارا می‌باشد.

https://www.nsmsi.ir/article_37269_fa1ecbb29c36a80120fa7bba7191f1b8.pdf