بررسی تجربی و توسعه روابط تئوری با تکیه بر هندسه کانال های ورودی و اثر آن بر بازگشت ناپذیری پیل سوختی مبادله الکترون از غشای پلیمری

در این رساله بررسی آزمایشگاهی و شبیه سازی رایانه ای اثر هندسه کانال های ورودی اکسیژن و هیدروژن، هندسه پیل سوختی و نیز اثر پارامترهای عملکردی پیل به مانند دما، فشار و دبی گازهای ورودی اکسیژن و هیدروژن و همچنین دمای بدنه پیل سوختی مورد مطالعه و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. برای این منظور سه سری پیل سوختی با کانال هایی با مقاطع مستطیلی، بیضوی و مثلثی به صورت مارپیچ چهارتایی ساخته شده است. سطح فعال هر پیل (سطحی که گاز روی آن جریان دارد و واکنش الکتروشیمیایی انجام می دهد)، 25 سانتی متر مربع بوده که وزن آن 1300 گرم می باشد. جنس لایه نفوذ گاز از پارچه کربنی ، جنس غشا از نفیون 112 و جنس لایه کاتالیست از صفحه ای شامل 004/0 پلاتینیوم می باشد. همچنین بستر آزمون پیل سوختی برای راه اندازی و آزمون پیل طراحی و ساخته شده است که توان الکتریکی مصرفی آن از نوع مقاومتی بوده که قابلیت نمایش و کنترل دما، فشار و دبی گازهای ورودی و دمای بدنه پیل را دارد. در این تحقیق علاوه بر بررسی آزمایشگاهی، شبیه سازی رایانه ای پیل سوختی بوسیله نرم افزار فلوئنت و یک مدل دو بعدی و سه بعدی غیر همدمای تک فاز حالت پایدار صورت گرفته است که بر اساس روش حجم محدود، حل معادلات بقاء جرم، مومنتوم، انرژی، گونه های شیمیایی و میدان الکتریکی را انجام می دهد. نتایج نشان می دهد که عملکرد پیل (افت ولتاژ) در شرایط 55= ، 55= ، 60= ، 5/0= ، 3/0= و 905/2= برای هندسه کانال مستطیلی نسبت به حالت مثلثی و بیضوی به ترتیب حداکثر %18 و %12 بالاتر می باشد و مقدار بازگشت ناپذیری آن نیز برای هندسه کانال مستطیلی نسبت به حالت مثلثی و بیضوی به ترتیب حداکثر %33 و %17 کمتر می باشد. نتایج همچنین نشان می دهد که با کاهش عمق کانال ورودی از 2 میلیمتر به 1 میلیمتر و نیز افزایش تعداد کانال های مارپیچ از یک عدد به هشت عدد در دبی ورودی یکسان برای هندسه کانال مستطیلی، عملکرد پیل حداکثر %13 و %18 بهبود می یابد. نتایج نشان می دهد که با افزایش دبی ورودی هیدروژن از 3/0 تا 5/0 و دبی ورودی اکسیژن از 5/0 تا 9/0 با شرط ثابت نگهداشتن سایر پارامترها عملکرد پیل حداکثر %17 بهبود می یابد. نتایج همچنین حاکی از بهبود عملکرد پیل، با قرار دادن موانع مثلثی و مستطیلی چسبیده به سطح کانال با نسبت منظری 8/0 در مسیر جریان گاز در کانال در حدود %33 و %40 می باشد. در انتها هم رابطه ای نیمه تجربی برای منحنی پلاریزاسیون پیل بر حسب دما و هندسه مقطع ورودی کانال ها بدست آمده است.