دانشگاه صنعتی امیرکبیر
(پلی تکنیک تهران)
مدلسازی یک بعدی عملکرد پیل سوختی غشاء پلیمری
ارائه شده برای دریافت درجه کارشناسیارشد
استاد راهنما:
دکترمحمدجعفر کرمانی
استاد مشاور:
دکتر ابراهیم دامنگیر
دانشکده مهندسی مکانیک
1391
(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
1- فصلاول. 1
1-1-مقدمه 2
1-2- تاریخچه 4
1-2-1-تاریخچهپیلسوختیPEM… 6
1-3-مزایاومعایبپیلسوختی 7
1-4-شناختکلیپیلسوختی 9
1-5-پیلسوختیPEM 13
1-6-لایه هایتشکیلدهندهپیلسوختیغشاءپلیمری 14
1-6-1- لایهنفوذگاز. 15
1-6-2- لایهکاتالیست… 16
1-6-3- غشاء 18
1-7-عملکردپیلسوختی 20
1-7-1- افتفعالسازی.. 22
1-7-2- افتجریانداخلی.. 24
1-7-3- افتاهمیک 25
1-7-4- افتغلظت 26
1-8-مروریبرمقالهها 28
1-8-1-لایهکاتالیست… 28
1-8-2-لایهنفوذگازوغشاء. 33
1-9-اهدافپروژهوخلاصهایازکارهایصورتگرفته 35
2- فصلدوم. 37
2-1-معرفیلایهکاتالیست 38
2-2-شرحپدیدههاییکهدرلایهکاتالیسترخمیدهد 41
2-2-1-مدللایهنازک… 42
2-2-2-مدلهمگن 43
2-2-3-مدلتودهای 45
2-3-استخراجروابطحاکمبرمدلتودهای 48
2-4-نرخواکنشالکتروشیمیاییدرمدلتودهای 49
2-4-1-واکنشکاهشاکسیژندرونتوده 49
2-4-2-نرخحجمیواکنشکاهشاکسیژن. 54
2-4-3-نفوذاکسیژندرونفیلمآیونومراطرافتوده 56
2-4-4-نرخواکنشالکتروشیمیایی.. 57
2-5-انتقالجرماکسیژن 60
2-6-محاسبهافتفعالسازی 63
2-7-شرایطمرزی 64
2-7-1-شرایطمرزیدرسطحمشترکلایهنفوذگازبالایهکاتالیست(z=0): 64
2-7-2-شرطمرزیدرسطحمشترکغشاءبالایهکاتالیست(z=LCL): 65
2-8-شرحیبرپارامترهایاستفادهشدهدرمدلسازی 66
2-8-1-مساحتسطحمؤثرپلاتین.. 66
2-8-2-تخلخللایهکاتالیست… 68
2-8-3-اندازهتوده 72
2-9-روشحل 73
2-10-نتایج 73
2-10-1-صحتسنجی.. 74
2-10-2-بحثدرنتایج.. 76
2-10-3-اثرپارامترهایعملکردیپیلبررویکارایی.. 78
2-10-4-اثرپارامترهایساختاریپیلبررویکارایی.. 81
2-11-مطالعهحساسیت 85
3- فصلسوم. 86
3-1-معرفیغشاءولایهنفوذگاز 87
3-2-شرحیبرمدلارائهشدهبرایغشاءولایهنفوذگاز 90
3-3-بالانسجرمیاجزاءورودیبهپیلدرکانالهایسمتآندوکاتد 91
3-4-معادلاتحاکمبرلایهها 95
3-4-1-معادلاتحاکمبرلایهنفوذگاز. 95
3-4-2-معادلاتحاکمبرغشاء. 97
3-4-3- معادلاتحاکمبرلایهکاتالیست… 101
3-5-شرحیبرپارامترهایمورداستفادهدرمدلسازی 102
3-6-روشحلمعادلاتحاکمدرلایههایمختلف 103
3-7-نتایجوبحثدرآن ها 105
3-7-1- صحتسنجی.. 106
3-7-2- مکانیزمانتقالآبدرونغشاء. 108
3-7-3- مطالعاتپارامتریک… 109
4-فصلچهارم. 115
4-1-نتیجهگیری 116
4-2-خلاصهایازنتایجمدلسازی: 117
4-3-پیشنهادها 119
مراجع.. 120
پیوستها 125
فهرست شکلها
شکل1‑1: شماتیکطریقهعملکردپیلسوختیPEM [3]. 10
شکل1‑2: شماییازیکلایهنفوذگازیدولایه. 15
شکل1‑3: نماییازلایهکاتالیست. 17
شکل1‑4: شاخهپلیمریپرفلئوروسولفونیکاسید(Perfluorosulfonate). 19
شکل1‑5: منحنیقطبیتیکپیلسوختی [9]. 21
شکل1‑6: نمودارتافلبرایواکنشهایالکتروشیمیاییسریعوکند [4]. 23
شکل2‑1: نمایشگرافیکیسطحیکهدرآنواکنشرخمیدهد[8]. 39
شکل2‑2: شماتیکمدللایهنازکباتقارنمحورینشاندادهشدهبوسیلهخطچین [28]. 42
شکل2‑3: تصویرشماتیکلایهکاتالیستسمتکاتدبراساسمدلهمگن [14]. 43
شکل2‑4: نماییازلایهکاتالیستهمگنوتودهایواجزاءتشکیلدهندهآنها. 44
شکل2‑5: (الف) نمایلایهکاتالیستبهروشتودهایکهبینلایهنفوذگازوغشاءفشردهشدهاست (ب) نمایبزرگشدهازیکعددتودهموجوددرلایهکاتالیست. 47
شکل2‑6: تصویرSEMلایهکاتالیست [19]. 48
شکل2‑7: تغییراتشعاعیغلظتبیبعداکسیژندرونیکتودهبرایمدولتایلیمختلف. 53
شکل2‑8: شماتیکشروطمرزیدردوطرفلایهکاتالیست. 66
شکل2‑9: صحتسنجیمنحنیقطبیتمدلتودهایبانتایجمنتشرشده، (الف) صحتسنجیاول (ب) صحتسنجیدوم. 75
شکل2‑10: نمودارمیلهTerms I, IIوبررسیاثرآن هابرمنحنیقطبیت. 77
شکل2‑11: اثرپارامترهایعملکردیبرکاراییپیلسوختی (الف) فشار (ب) دما. 80
شکل2‑12: مقاومتویژهپیل، ،برحسبدمادرچگالیجریان0.5 A/cm2براینفیونN117 (Lmem=175 [mm]). 80
شکل2‑13: (الف) تغییراتولتاژوچگالیتوانبرحسبچگالیجریانبرایمقادیرمختلفشعاعتودهوضخامتفیلمآیونومراطرافهرتوده (ب) اثرکسرحجمیغشاءدرونتودهبررویکاراییپیلسوختی. 83
شکل2‑14: اثرLi,aggبرتعدادتودههادرواحدحجملایهکاتالیستn. 84
شکل3‑1: ساختارPTFE. 88
شکل3‑2: محتویاتآبغشاءاندازهگرفتهشدهبراینفیونN117دردمایoC30 [27]. 89
شکل3‑3: شماتیکپیلسوختیغشاءپلیمریموردمطالعه. 91
شکل3‑4: بلوکدیاگرامحل. 104
شکل3‑5: صحتسنجیکسرمولیاکسیژنوآبدرونلایهنفوذگازسمتکاتد(XCH= 1). 107
شکل3‑6: صحتسنجیجزآبدرونغشاء(XCH = 1). 107
شکل3‑7: بررسیمکانیزمهایانتقالآبدرونغشاء. 109
شکل3‑8: اثرتغییراتدمابررویجزءآبموجوددرغشاء. 110
شکل3‑9: اثرتغییراتدمابرقابلیتهدایتپروتونیغشاء. 111
شکل3‑10: پروفیلجزءآبدرونغشاءبهازایچگالیجریانهایمختلف. 112
شکل3‑11: منحنیمقاومتاهمیکبرحسبچگالیجریانپیلدرسهدمایمتفاوت. 112
شکل3‑12: اثرضخامتغشاءبررویمقاومتاهمیکپیل. 113
شکل3‑13: منحنیقطبیتبهازایضخامتغشاءهایمختلف. 114
فهرست جدولها
جدول2‑1: مساحتموثرکاتالیستبرایدرصدهایمختلفپلاتین–کربن. 40
جدول2‑2: پارامترهایعملکردی،فیزیکیوسینیتکیمدل (حالتپایه). 71
جدول2‑3: رتبهبندیاثرپارامترهایساختاریوعملکردیبرچگالیتوانپیلسوختی. 85
جدول3‑1: پارامترهایساختاری،عملکردیوسینیتکیبرایحالتپایه. 102
علائم اختصاری | |
مساحت در واحد جرم سطح واقعی انجام واکنش m2/kg | As |
شیب منحنی تافل در معادله (1- 4)v | a |
ضریب فعالیت آب در معادله (3- 27) | a |
مساحت در واحد حجم سطح قابل نفوذ برای کل تودههاm2/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 بازگشتپذیرv | 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 1/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 الکترونهای 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 |
زیرنویسها و بالانویسها | |
مؤثر | eff |
تبادلی | 0 |
بیبعد | * |
میانگین | ¯ |
فعالسازی | 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 |
واکنشدهنده | R |
مرجع | ref |
جامد | s |
اشباع | sat |
آب آند | w,a |
آب کاتد | w,c |
1- فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
امروزه به دلیل بحران آلودگیهایزیستمحیطیناشی از مصرف سوختهایفسیلیروشهای پاک تولیدانرژی از اهمیتویژهای برخوردار است. بشر به سبب افزایشآلودگی و کاهش منابع سوخت طبیعی مجبور به یافتن راه حلی شد که در اینفرایند،تولیدانرژی از طریقهیدروژن کشف شد. در طی مطالعات و آزمایشاتی که برایتولیدانرژی از طریقهیدروژن انجام میگردیدوسیلهای که هیدروژن را به عنوان سوخت استفاده میکردپیلسوختینامیدند. سیستمهایپیلهایسوختی به عنوان یکی از گزینههایتولیدانرژی پاک محسوب میشوند. توان تولید شده اینسیستمهایک گستره وسیعبین چند وات تا چند هزار کیلو وات را شامل میشود، به طوریکهاینسیستمهااز 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 میباشند [1]. دانشمندان معتقد بودند که هیدروژنمیتواند راه حلیکارآمدبرایتأمین بخشی ازنیازهایانرژیدنیا در آینده باشد. پیلسوختییکوسیلهای است که هیدروژن و اکسیژن را ترکیب کرده و آب و الکتریسیتهتولیدمیکند. انرژیتولید شده توسط پیلسوختیمیتواند 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 لایههای مختلف پیلسوختینظیرلایههای نفوذ گاز، صفحات دو قطبی، غشاء و لایهکاتالیستدشوار بوده و نیازمندفناوریپیشرفتهایمیباشد. چون در ساخت این لایه ها از موادی نظیر فیبر بسیار نازک کربن، آیونومر، نفیون و … استفاده می شود که فرآوری آنها نیازمند یک پروسه پیشرفته و دشوار میباشد و در انحصار کشورهای خاصی قرار دارد، همچنین مراحل ساخت برخی از این لایه ها نظیر لایه کاتالیست که شامل فاز جامد، فاز غشاء و فضای خالی است بسیار پیچیده میباشد. بنابراین بدون انجام یکمدلسازی کامل از کل لایههایپیلسوختی، ساخت یک توده[1]پیلسوختیکار دشواری خواهد بود.همچنین ممکن است پیل ساخته شده از نظر هزینههای تمام شده مقرون به صرفه نباشد. به منظور بررسیکارایی و عملکرد پیلهایسوختی،بایدلایه های مختلف یکپیلسوختی را مورد مطالعه قرار داده و شبیهسازی نمود. در اینپایاننامهمدلسازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام میپذیرد، و تمامیلایههایاینپیلسوختی تک سلولیشبیهسازیمیشوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل تودهایمیباشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق میافتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیشبینیمیکندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده می شود. لایههای نفوذ گاز نیزکه در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با بهره گرفتن از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شدهاند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزمهای انتقال آب که در آن وجود دارد شبیهسازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمیشود. این عملکرد با کسر نمودن افتهای مربوط به ولتاژ فعالسازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشتپذیرپیل در یکچگالیجریان بدست میآید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژپیل بدست میآید. در اینپایاننامه معادلات حاکم بر عملکرد لایههای مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمیباشند) بدست آمده سپس این معادلات حل میگردد تا افتهایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام میپذیرد.
[1]stack
تعداد صفحه :149
قیمت :14700 تومان
بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد
و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.
پشتیبانی سایت : * serderehi@gmail.com
در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.
14,700 تومانافزودن به سبد خرید