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

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشکده شیمی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

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

4 گروه مهندسی شیمی، دانشگاه شهید چمران، اهواز

چکیده

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 کم­تر 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.

کلیدواژه‌ها


[2] Zhang, Hongwei, Shen P.K., Advances in the High Performance Polymer Electrolyte Membranes for Fuel CellsChem. Soc. Rev., 41: 2382-94 (2012).
[3] Schiraldi D.A., “Polymer Electrolyte Fuel Cell Durability”, Wiley Online Library (2009).
[4] Curtin D.E., Lousenberg R.D., Henry T.J., Tangeman P.C., Tisack M.E., Advanced Materials for Improved PEMFC Performance and Life, J. Power Sources, 131:41–8 (2014).
[7] Hooshyari K.H., Javanbakht M., Naji L., Enhessari M., Nanocomposite Proton Exchange Membranes Based on Nafion Containing Fe2TiO5 Nanoparticles in Water and Alcohol Environments for PEMFC, J. Membr. Sci., 454: 74–81 (2014).
[8] Tang H., Peikang S., Jiang S.P., Wang F., Pan M., A Degradation study of Nafion Proton Exchange Membrane of PEM Fuel Cells, J. Power Sources, 170: 85– 92 (2007).
[9] Mariana D., Alfredo O., Miguel V., Emilia T., Inmaculada O., Performance of PEMFC with New Polyvinyl-Ionic Liquids Based Membranes as Electrolytes. Int J Hydrogen Energy, 39: 3970-7 (2014).
 [10] Cele N, Sinha S., Recent Progress on Nafion-Based Nanocomposite Membranes for Fuel Cell Applications, Macromol Mater Eng, 294: 719-38 (2009).
[11] Kongstein O.E., Berning T., Borresen B., Seland F., Tunold R., Polymer Electrolyte Fuel Cells Based on Phosphoric Acid Doped Polybenzimidazole (PBI) Membranes, Energy, 32: 418-22 (2007).
[12] Chen C.Y., Garnica J.I., Duke M.C., Dalla R.F., Dicks A.L., Dniz J.C., Nafion/Polyaniline/Silica Composite Membranes for Direct Methanol Fuel Cell Application, J. Power Sources, 166: 324-30 (2007).
[13] Li Q., He R., Jensen J.O., Bjerrum N.J., PBI-Based Membrane for High Temperature Fuel Cells-Preparation, Characterization and Fuel Cell Demonstration, Fuel Cells, 147: 147-59 (2004).
[14] Shabanikia A., Javanbakht M., SalarAmoli H., Hooshyari K.H., Enhessari M., Polybenzimidazole/Strontium Cerate Nanocomposites with Enhanced Ionic Conductivity for Proton Exchange Membrane Fuel Cells Operating at High Temperature, Electrochim Acta, 154: 370-8 (2015).
[15] Shabanikia A., Javanbakht M., SalarAmoli H., Hooshyari K.H., Enhessari M., Novel Nanocomposite Membranes Based on Polybenzimidazole and Fe2TiO5 Nanoparticles for Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Ionic, 21: 2227-36 (2015).
[17] Antonio J., Eduardo A., Sanchezab M., Gomez-Romero P., Proton-Conducting Membranes Based on Benzimidazole Polymers for High-Temperature PEM Fuel Cells. A Chemical Quest, Chem Soc Rev, 39: 3210-39 (2010).
[18] Kreuer K.D., “Proton Conductivity: Materials and Applications”, Chem Mater, 8: 610-41 (1996).
[19] Qingfeng L., Jens O., Robert F., Niels J., High Temperature Proton Exchange Membranes Based on Polybenzimidazoles for Fuel Cells. Prog Polym Sci, 34: 449-77 (2009).
[20] Vandeven E., Chairuna A., Merle G., Pacheco S., Borneman Z., Nijmeijer K., The Effects of Electrolyte on the Supercapacitive Performance of Activated Calcium Carbide-Derived Carbon, J. Power Sources, 22: 202-9 (2013).
[21] Greaves T., Drummond C., Protic Ionic Liquids: Properties and Applications, Chem Rev, 108: 206-37 (2008).
[22] Vandeven E., Chairuna A., Merle G., Pacheco S., Borneman Z., Nijmeijer K., The Effects of Electrolyte on the Super Capacitive Performance of Activated Calcium Carbide-Derived Carbon, J. Power Sources, 22: 202–9 (2013).
[23] Washiro S., Yoshizawa M., Nakajima H., Ohno H., Highly Ion Conductive Flexible Films Composed of Network Polymers Based on Polymerizable Ionic Liquids, Polymer, 45: 1577-82 (2004).
[24] Earle M., Esperanc J., Gilea M., Lopes J., Magee J., Seddon K., The Distillation and Volatility of Ionic Liquids, Nature, 439: 831-4 (2006).
[26] Schauer J., Sikora A., Plıskova M., Malis J., Mazur P., Paidar M., Ion-Conductive Polymer Membranes Containing 1-Butyl-3-Methylimidazolium Trifluoromethanesulfonate and 1-Ethylimidazolium Trifluoromethanesulfonate, J. Membr. Sci. 367: 332–9 (2011).
[27] Ye H., Huang J., Xu J., Kodiweera N., Jayakody J., Greenbaum S., New Membranes Based on Ionic Liquids for PEM Fuel Cells at Elevated Temperatures, J. Power Sources, 178: 651–60 (2008).
[29] Eguizabal A., Lemus J., Roda V., Urbiztondo M., Barreras F., Pina P.M., Nanostructured Electrolyte Membranes Based on Zeotypes. Protic Ionic Liquids and Porous PBI Membranes: Preparation, Characterization and MEA Testing, Int. J. Hydrogen Energy, 37: 7221–34 (2012).
[31] Zhang Z., Yang L., Luo S., Tian M., Tachibana K., Kamijima K., Ionic Liquids Based on Aliphatic Tetraalkylammonium Dications and TFSI Anion as Potential Electrolytes. J Power Sources, 167: 217-22 (2007).
[32] Pitawala J., Matic A., Martinelli A., Jacobsson P., Koch V., Croce F., Thermal Properties and Ionic Conductivity of Imidazolium Bis(Trifluoromethanesulfonyl)Imide Dicationic Ionic Liquids, J Phys Chem B, 113: 10607-10 (2009).
[33] Armand M., Endres F., Macfarlane D., Ohno H., Ionic-Liquid Materials for the Electrochemical Challenges of the Future, Nat Mater, 8: 621-9 (2009).
[34] Payagala T., Huang J., Breitbach Z., Sharma P., Armstrong D., Unsymmetrical Dicationic Ionic Liquids: Manipulation of Physicochemical Properties Using Specific Structural Architectures, Chem. Mater, 19: 5848–50 (2007).
[35] Ishida T., Shirota H., Dicationic Versus Monocationic Ionic Liquids: Distinctive Ionic Dynamics and Dynamical Heterogeneity, J. Phys. Chem. B, 117: 1136– 50 (2013).
[36] Zhang Z., Yan Zhou H., Yang L., Tachibana K., Kamijima K., Xu J., Asymmetrical Dicationic Ionic Liquids Based on Both Imidazolium and Aliphatic Ammonium as Potential Electrolyte Additives Applied to Lithium Secondary Batteries, Electrochim Acta, 53:4833-8 (2008).
[37] Shiro S., Yo K., Hajime M., Yasutaka O., Akira U., Yuichi M., Lithium Secondary Batteries Using Modified-Imidazolium Room-Temperature Ionic Liquid, J Phys Chem B, 110: 10228-30 (2006).
[39] Springer T.E., Zawodzinski T.A., Gottesfeld S., Polymer Electrolyte Fuel Cell Model, J. Electrochem. Soc, 138: 2334–42 (1991).
[40] Nguyen T.V., White R.E., Water and Heat Management Model for Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells, J. Electrochem. Soc., 140: 2178–86 (1993).
[41] Gurau V., Liu H., Kakac S., Two-Dimensional Model for Proton Exchange Membrane Fuel Cells, AlChE J., 44: 2410–22 (1998).
[42] Dutta S., Shimpalee S., Van Zee J.W., Numerical Prediction of Mass-Exchange Between Cathode and Anode Channels in a PEM Fuel Cell, Int J Heat Mass Transf., 44: 2029–42 (2001).
[43] Futerko P., Hsing I.M., Two-Dimensional Finite-Element Method Study of the Resistance of Membranes in Polymer Electrolyte Fuel Cells, Electrochim. Acta, 45: 1741–51 (2000).
[44] Ubong E.U., Shi Z., Wang X., Three-Dimensional Modeling and Experimental Study of a High Temperature PBI-Based PEM Fuel CellJ. Electrochem. Soc., 156: 1276-82 (2009).
[45] Hoogers, Gregor, “Fuel Cell Technology Handbook”, CRC Press, (2003).
[46] Osafi M. R., Kalbasi M., Omidi Bibalani I., Three-Dimensional Modeling of Solid Acid Fuel Cell with CsH2PO4-MOA (Micro-Arc Oxidation Alumina) Composite ElectrolyteInternational Journal of Hydrogen Energy, 42(8): 5351-5359 (2017).
[47] Cheddie, D. F., Munroe N.D.H., Three Dimensional Modeling of High Temperature PEM Fuel Cells,  Journal of Power Sources, 160(1): 215-223 (2006).
[48] Guvelioglu G., Stenger H., Computational Fluid Dynamics Modeling of Polymer Electrolyte Membrane Fuel CellsJ. Power Sources, 147: 95-106 (2005).
[49] Bird R., Stewart W., Lightfoot E., “Transport Phenomena”, John Wiley & Sons Inc., New York (1960).
[50] Bear J., Buchlin J., “Modelling and Applications of Transport Phenomena in Porous Media. Dordrecht The  Netherlands”, Kluwer Academic Publishers, (1991).
[51] Pramuanjaroenkij A., Kakac S., Zhou X.Y., Mathematical Analysis of Planar Solid Oxide Fuel Cells, Int. J. Hydrogen Energy, 33: 2547–65 (2008).