فهرست مطالب
فصل 1 مقدمه 1
1-1 مقدمه.. 2
1-2 پیل‌سوختی…. 2
1-3 انواع پیل‌سوختی…. 4
1-4 پیل‌سوختی پلیمری…. 5
1-4-2 اجزای پیل‌سوختی پلیمری…. 6
1-4-3 فرآیندهای انتقالی…. 10
1-5 اشکال مختلف پیل‌سوختی پلیمری…. 11
1-6 مدلسازی پیل‌سوختی…. 13
1-6-1 انواع مدلسازی…. 13
1-6-2 ابعاد مدلسازی…. 14
1-6-3 شیوه‌ی بررسی دامنه‌ی حل… 15
1-7 مدیریت آب در پیل‌های سوختی با غشای الکترود پلیمری…. 16
1-8 هدف تحقیق حاضر.. 19
فصل 2 مروری بر منابع 20
2-1 مقدمه.. 21
2-2 مروری بر کارهای انجام شده در زمینه‌ی پیل‌سوختی پلیمری…. 21
2-3 نتیجه‌گیری…. 27
فصل 3 معادلات حاکم 28
3-1 مقدمه.. 29
3-2 مدل سازی پیل‌سوختی…. 30
3-2-1 کسر حجمی اشباع… 30
3-2-2 ضریب تخلخل… 31
3-2-3 زاویه تماسی و کشش سطحی…. 31
3-2-4 فشار موئینگی…. 34
3-2-5 نفوذپذیری…. 35
3-2-6 کسر مولی، کسر جرمی و غلظت مولی…. 36
3-2-7 منحنی قطبیت….. 37
3-2-8 تولید و مصرف گونههای شیمیایی…. 38
3-2-9 سینتیک الکتروشیمیایی در لایههای کاتالیستی…. 40
3-3 روش چند فازی…. 44
3-4 مدل مخلوط چند فازی…. 45
3-4-2 معادله پیوستگی…. 46
3-4-3 معادله مومنتوم.. 46
3-4-4 معادله بقای گونهها 47
3-5 سیستمهای دوفازی…. 48
3-5-2 روابط ساختاری…. 49
3-6 اعمال مدل کسر حجمی سیال… 52
3-6-2 معادله ی انتقال جرم بین دوفاز. 54
3-7 نتیجه گیری…. 54
فصل 4 روش حل عددی 55
4-1 مقدمه.. 56
4-2 انتخاب مدل عددی…. 57
4-2-1 مدل مخلوط تکفازی…. 57
4-2-2 مدل مخلوط دوفازی…. 57
4-2-3 اعمال معادله ی اشباع مایع… 57
4-3 حل همزمان سرعت و فشار. 58
4-4 روند حل عددی…. 59
4-5 هندسه مسئله.. 63
4-6 فرضیات مسئله.. 64
4-7 شرایط مرزی مسئله.. 64
4-8 نتیجه گیری…. 65
فصل 5 نتایج و تفسیر آنها 66
5-1 مقدمه.. 67
5-2 استقلال از شبکه.. 67
5-3 اعتبار سنجی حل… 69
5-4 نتایج مدلسازی دو بعدی…. 70
5-5 بررسی مسئله به صورت سه بعدی…. 74
5-6 بررسی مسئله به صورت گذرا 75
5-7 بررسی اثر وجود مانع در کانال… 76
5-8 بررسی اثر لایه ی متخلخل جانبی در کانال… 78
5-9 بررسی پیل‌سوختی در حالت انتها بسته.. 84
5-10 نتایج… 91
5-11 ارائه‌ی پیشنهاد.. 92
مراجع 93
پيوست‌ها 98
فهرست شکل‌ها
شکل (1-1) ساختار کلی انواع پیل‌های سوختی…. 4
شکل (1-2) طرحواره اجزای کلی پیل سوختی پلیمری…. 6
شکل (1-3) مجموعه‌ی غشاء الکترود.. 7
شکل (1-4) لایه نفوذ گاز. 8
شکل (1-5) تو زیع واکنش‌دهنده ها در آرایش های مختلف جریان… 9
شکل (1-6) مکانیزم‌های انتقال آب در پیل‌سوختی…. 11
شکل (1-7) پیل‌سوختی کاتد باز با جابه جایی آزاد.. 11
شکل (1-8) پیل‌سوختی کاتد باز با جابه جایی اجباری…. 12
شکل (1-9) پیل‌سوختی پلیمری با دفع آب غیرفعال توسط غشاء آب‌دوست….. 13
شکل (1-10) راستاهای قابل بررسی در پیل‌سوختی…. 14
شکل (1-11) روش چند دامنه‌ای…. 16
شکل (1-12) روش تک دامنه‌ای…. 16
شکل (1-13) طرحواره ای از مکانهای وقوع فلادینگ در پیل‌سوختی پلیمری…. 17
شکل (1-14) اثر فلادینگ بر کاهش عملکرد در پیل‌سوختی…. 18
شکل (3-1) قطره آب بر روی ورق با ساختار ناحیه نفوذی [40] 32
شکل (3-2) رفتار هوا و آب مایع در ناحیه متخلخل. الف) آب دوست ب) آب گریز [15] 32
شکل (3-3) طرحواره ای از قطره ساکن بر روی سطح آب دوست [53] 33
شکل (3-4) زاویه تماسی قطره آب مایع بر روی سطوح آب گریز و آب دوست ماده متخلخل [40] 34
شکل (3-5) تعادل فصل مشترک منحنی و تنش‌‌های بین سطحی [32] 34
شکل (3-6) نمایش عمل موئینگی در یک لوله با دیوارهای آب گریز و آب دوست [40] 35
شکل (3-7) منحنی قطبیت پیل‌سوختی [42] 37
شکل (3-8) طرحواره ای از هندسه پیل‌سوختی با مصرف سوخت و تولید آب [43] 39
شکل (3-9) فرایند انتقالی انرژی آزاد-مختصه واکنش[3] 41
شکل (3-10) طرحواره‌ای از دیاگرام فازی[3] 51
شکل (4-1) الگوریتم کلی اجرای برنامه.. 60
شکل (4-2) ساختار فایل‌های استفاده شده در حلگر اوپن‌فوم.. 61
شکل (4-3) ساختار کلی فایل‌های ورودی و خروجی مسئله مورد بررسی…. 62
شکل (4-4) شماتیک هندسه‌ی موردبررسی…. 63
شکل (5-1) پروفیل جریان بر روی مرز در تعداد شبکه‌های مختلف….. 68
شکل (5-2) تصویر یک مقطع شبکه در ورودی کانال… 68
شکل (5-3) منحنی قطبیت اعتبار سنجی حل… 70
شکل (5-4) کانتور کسر جرمی اکسیژن گازی در حالت V=0.7582v. 71
شکل (5-5) کانتور کسر جرمی بخار آب در حالت V=0.7582v. 71
شکل (5-6) کانتور کسر جزیی بخار در حالت V=0.7582v. 72
شکل (5-7) کانتور کسر حجمی فاز مایع در حالت V=0.7582v. 72
شکل (5-8) کانتور سرعت سیال به همراه خطوط جریان در حالت V=0.7582v. 73
شکل (5-9) ابعاد هندسه ی سه بعدی…. 74
شکل (5-10) خطوط جریان در حالت سه‌بعدی به همراه کانتور اشباع مایع… 75
شکل (5-11) پروفیل چگالی جریان برحسب زمان در حالت راه‌اندازی پیل‌سوختی…. 76
شکل (5-12) موانع مورد بررسی در کانال… 77
شکل (5-13) کانتور سرعت در پنج حالت مختلف مانع… 77
شکل (5-14) کانتور اشباع مایع در پنج حالت مورد بررسی…. 78
شکل (5-15) هندسه کانال بدون وجود ناحیه ی متخلخل(تیره) جانبی و به همراه ناحیه ی متخلخل جانبی…. 79
شکل (5-16) کانتور کسر حجمی اشباع مایع در چند مقطع برای کانال اولیه.. 80
شکل (5-17) کانتور کسر حجمی اشباع مایع بر روی سطح برای کانال اولیه.. 80
شکل (5-18) کانتور کسر حجمی اشباع مایع در چند مقطع برای کانال با لایه‌ی متخلخل جانبی آب گریز.. 81
شکل (5-19) کانتور کسر حجمی اشباع مایع بر روی سطح کانال با لایه‌ی متخلخل جانبی آب گریز 81
شکل (5-20) کانتور کسر حجمی اشباع مایع در چند مقطع برای کانال با لایه‌ی متخلخل جانبی آب دوست….. 82
شکل (5-21) کانتور کسر حجمی اشباع مایع بر روی سطح کانال با لایه‌ی متخلخل جانبی آب دوست 82
شکل (5-22) شار جرمی نفوذ آب برای سه حالت کانال ساده و کانال با لایه‌ی متخلخل جانبی آب گریز و آب دوست….. 83
شکل (5-23) الگوی اول با مقطع وروردی همگرا و نازک…… 85
شکل (5-24) الگوی دوم با مقطع ورودی همگرا و واگرا 85
شکل (5-25) الگوی سوم با مقطع ورودی همگرا واگرا دوشاخه.. 86
شکل (5-26) کانتور سرعت در هندسه ی ورودی اول در دو زمان مختلف….. 86
شکل (5-27) کانتور سرعت در هندسه ی ورودی دوم در دو زمان مختلف….. 87
شکل (5-28) کانتور سرعت در هندسه ی وردودی سوم در دو زمان مختلف….. 87
شکل (5-29) کانتور اشباع مایع در مجموعه کانال و لایه نفوذ در حالت انتها بسته.. 88
شکل (5-30) کانتور کسر جرمی اکسیژن در حالت انتها بسته.. 88
شکل (5-31) کانتور تولید آب بر حسب kg/m3 در حالت انتها بسته.. 89
شکل (5-32) خطوط جریان و کانتور اشباع مایع در حالت انتها بسته.. 89
شکل (5-33) نمایش ورود آب به داخل کانال… 90
شکل (5-34) نمودار ولتاژ برحسب زمان در حالت انتها بسته.. 90
فهرست جدول‌ها
جدول (1-1) مشخصات انواع پیل سوختی…. 5
جدول (1-2) مقایسه مزایا و معایب طرحهای مختلف میدان جریان… 10
جدول (5-1) پارامترهای موردنیاز برای حل عددی…. 69
جدول (5-2) شرایط عملکرد پیل‌سوختی…. 69
فهرست نمادها
غلظت |
C |
|
ضریب نفوذ (m2 s-1) |
D |
|
ثابت فارادی (Cmol-1) |
F |
|
شتاب گرانش(ms-2) |
g |
|
ارتفاع (m) |
H |
|
چگالی جریان (Acm-2) |
I |
|
شار جرمی (Kgm-2s-1) |
j |
|
ثابت نفوذپذیری (m2) |
k |
|
طول (m) |
L |
|
جرم مولی (Kgmol-1) |
M |
|
فشار (Pa) |
p |
|
ثابت جهانی گازها (jmol-1K-1) |
R |
|
رطوبت نسبی |
RH |
|
غلظت مایع اشباع |
s |
|
دما (K) |
T |
|
سرعت در راستای محور مختصات افقی (ms-1) |
u |
|
بردار سرعت (ms-1) |
u |
|
میانگین بیشینه و کمینه سرعت ضربانی(ms-1) |
u0 |
|
سرعت در راستای محور مختصات عمودی (ms-1) |
v |
|
ولتاژ (V) |
V |
|
علایم یونانی |
||
ضریب انتقال آب شبکه |
||
ضریب انتقال کاتدی |
||
ضریب تخلخل |
||
افت ولتاژ قطبیت (V) |
||
زاویه تماسی (°) |
||
قابلیت حرکت نسبی |
||
لزجت دینامیکی (Kgm-2s-1) |
||
لزجت سینماتیکی(m2 s-1) |
||
چگالی (Kgm-3) |
||
کشش سطحی (Nm-2) |
||
نفوذ پذیری مؤثر |
Γ |
|
بالانویس‌ها |
||
اشاره به گونه اکسیژن |
||
اشاره به گونه آب |
||
زیرنویسها |
||
کاپیلاری |
c |
|
فاز گاز |
g |
|
کانال گاز |
gc |
|
ورودی |
in |
|
سینتیک |
k |
|
مایع |
l |
|
شرایط مدار باز |
ocp |
|
نسبی |
r |
|
شرایط مرجع |
ref |
|
اشباع |
sat |
|
شرایط استاندارد |
0 |
|
