پیل سوختی غشاء الکترولیت پلیمری، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه ( پیل سوختی)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی یک پیل سوختی از نوع غشاء الکترولیت پلیمری (polymer electrolyte membrane fuel cell) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

این مدل از دو بخش اصلی کاتد (cathode) و آند (anode) تشکیل شده است. هر یک از این دو بخش دارای چهار لایه است: کلکتور جریان (current collector)، کانال جریان (current channel)، دیفیوژن گازی (gas diffusion) و کاتالیزور (catalyst)، و فضای بین لایه‌های آند و کاتد که توسط غشای پلیمری (polymer membrane) پر می‌شود.

مقدار پتانسیل (potential) در بخش آند معادل صفر در نظر گرفته شده و درنتیجه، فقط مقدار 0.5 برای پتانسیل الکتریکی کاتد تعریف می‌شود. همچنین، در ورودی آند، کسر جرمی (mass fraction) هیدروژن معادل 0.7، آب معادل 0.3، و اکسیژن و نیتروژن معادل صفر است. در ورودی کاتد، کسر جرمی هیدروژن معادل صفر، آب معادل 0.14، نیتروژن معادل 0.66 و اکسیژن معادل 0.2 است.

نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) هندسه سه بعدی مدل حاضر را طراحی می‌کند. مدل حاضر ساختاری متقارن (symmetrical) دارد و از 9 ناحیه شامل هفت ناحیه مخصوص سیال (کانال جریان کاتد و آند، لایه گازی کاتد و آند، لایه کاتالیزوری کاتد و آند، و غشای پلیمری) و همچنین دو ناحیه جامد تشکیل شده است.

ناحیه جامد از یک کلکتور جریان کاتدی و آندی تشکیل شده است. مش بندی مدل حاضر توسط نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام می‌شود. مش بندی از نوع با سازمان (structured) بوده و تعداد 142000 سلول ایجاد می‌شود.

روش‌های استفاده شده

کانال‌های جریان مخلوطی از گونه‌های گازی از جمله اکسیژن، هیدروژن و آب را انتقال می‌دهند. بخش کاتالیزوری از یک محیط متخلخل (porous medium) با ضریب تخلخل (porosity) معادل 0.5 تشکیل شده و حاوی منابع جرمی، انرژی حرارتی، پتانسیل الکتریکی (electrical potential)، پتانسیل پروتون (proton potential)، آب اشباع (saturated water)، هیدروژن، اکسیژن و آب است.

ناحیه دیفیوژن گازی شامل یک محیط متخلخل با ضریب تخلخل 0.5 است و حاوی منابع جرمی، انرژی حرارتی، پتانسیل الکتریکی، آب اشباع و گونه‌های هیدروژن، اکسیژن و آب گازی است. ناحیه غشای پلیمری نیز از یک محیط متخلخل با ضریب تخلخل 0.5 تشکیل شده و دارای منابع انرژی حرارتی و پتانسیل پروتون است.

در این پروژه، معادلات جریان و معادله انرژی (energy equation) حل شده است. چندین ماژول از جمله انتقال گونه‎‌ها (species transport)، محیط متخلخل (porous)، و پیل سوختی الکترولایسیز (fuel cell and electrolysis) استفاده می‌شود.

نتایج

این مطالعه با هدف بررسی رفتار سیال و هدایت حرارتی یک پیل سوختی پلیمری و تأثیر آن بر کسر جرمی گونه‌های گازی و مقدار الکتریسیته تولید شده در سلول انجام شده است.

پس از فرآیند شبیه سازی، نتایج به صورت کانتور (contour) نشان داده می‌شود. همان‌طور که انتظار می‌رود، یون‌های هیدروژن و اکسیژن از طریق غشای الکترولیت منتقل می‌شوند. علاوه براین، کاتالیزور می‌تواند روند را تسریع کند؛ بنابراین، واکنش‌ها سریع‌تر رخ می‌دهند و منجر به جریان الکتریکی می‌شوند.