17158

17158

مدلسازي ديناميك مجموعه ي الكترود - غشاي پيل سوختي با غشاي هيدروكربني

كارشناسي ارشد

فرآيندهاي جداسازي

آذر ماه 1395

دكتر سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي

امروزه پيل سوختي به عنوان منبعي پاك براي تامين انرژي شناخته مي‌شود. به منظور كاهش هزينه‌ي ساخت و افزايش عمر عملياتي پيل سوختي، پژوهش‌هاي آزمايشگاهي فراواني در حال انجام است. ليكن تمام جزئيات فرآيند انجام شده در پيل سوختي را نمي‌توان به خوبي در آزمايشگاه مشاهده و اندازه‌گيري كرد. به منظور بررسي دقيقتر نياز به وجود مدلي احساس مي‌شود كه بتواند فرآيند انجام شده در پيل سوختي را با جزئيات و دقت خوبي نشان دهد. در اين پژوهش مجموعه‌ي الكترود-غشاي پيل سوختي كه در آن از غشاي پلي‌اتراتركتون سولفونه شده استفاده شده، مدل شده است. پلي‌اتراتركتون با وجود مزاياي نسبي نسبت به غشاي گران تجاري نفيان پايداري كمتري را از لحاظ مكانيكي و شيميايي از خود نشان مي‌دهد. به همين منظور مطالعات تجربي بسياري در خصوص افزايش پايداري مكانيكي و شيميايي اين غشا انجام شده است. ليكن در اين زمينه مدلي گزارش نشده است. در اين پژوهش مجموعه‌ي الكترود-غشاي پيل سوختي كه در آن از غشاي پلي‌اتراتركتون سولفونه شده استفاده شده، مدل شده است. اين مدلسازي در يك بعد و به صورت پويا و با در نظر گرفتن حضور و اثر متقابل پديده‌هاي انتقال بار، انتقال جرم، انتقال حرارت، انتقال مومنتوم روي يكديگر انجام شده است. همچنين اين واقعيت كه واكنش‌هاي الكتروشيميايي و شيميايي پس از حل شدن مواد در فاز الكتروليت انجام مي‌شود، لحاظ شده است. ويژگي هاي مربوط به اين غشا از منابع استخراج شد و از آنجايي كه در رابطه با برخي خصيصه‌هاي غشاي پلي‌اتراتركتون سولفونه شده رابطه‌هاي كافي در دسترس نبود، در طول پژوهش، معادلاتي به منظور استفاده در مدلسازي به دست آمد. از جمله اين معادلات، مي‌توان به معادله‌ي بين ميزان رطوبت محيط و ميزان جذب آب توسط غشا، و همچنين معادله‌ي بين ميزان جذب آب و هدايت پروتون در غشا اشاره كرد. خطاي معادلات به دست آمده با مقادير تجربي به ترتيب 13 و 15% در دماي 100درجه‌ي سانتي‌گراد محاسبه شد. در نهايت مدل ساخته شده با مقادير تجربي مقايسه شد. نمودار پلاريزاسيون گرفته شده از مدل كه به عنوان مشخصه‌ي اصلي عملكرد پيل سوختي شناخته مي‌شود، با داده‌هاي تجربي غشاي نفيان 11% و با داده هاي تجربي غشاي SPEEK 19 % اختلاف داشت. با توجه به تفاوت ساختاري غشاي SPEEK با غشاي نفيان و اهميت حضور و عدم حضور آب در سيستم، مدلسازي در سه بخش گاز ورودي خشك، گاز مرطوب و حضور آب مايع در غشا مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به عدم حضور كانال‌هاي آب در غشاي SPEEK در حالت ورود گاز خشك، حداقل رطوبت مورد نياز براي كاركرد مناسب اين غشا 50% به دست آمد. به منظور نشان دادن فرآيند تخريب در غشا و همچنين اثر آن روي عملكرد پيل سوختي، مفهوم كاهش وزن مولكولي ميانگين و افزايش كسرحجم آزاد پليمر در طول فرآيند تخريب مورد استفاده قرار گرفت. اين امر سبب افزايش ميزان ميان عبوري گازهاي شركت كننده در واكنش تخريب مي‌شود.

1395/12/16

1/1/1900 12:00:00 AM

Nowadays fuel cell is known as a clean source of energy. In order to reduce costs an​d increase the operational life of the fuel cell, many experimental types of research have been conducted in the last decade. However, not all the details of the processes performed in the fuel cell can be well observed an​d measured in the laboratory. This problem justifies the necessity for a model to express fuel cell process in detail an​d accurately. In this study a membrane-electrode assembly(MEA) is modeled that is working with a sulfonated Poly-ether-ether-ketone(SPEEK) as proton exchange membrane. Poly-ether-ether-ketone shows the lack of mechanical an​d chemical stability despite the relative merits in comparison to the more expensive commercial membrane like Nafion regarding mechanical an​d chemical stability Nafion. For this reason, many empirical studies performed to enhance the mechanical an​d chemical stability of this membrane. But no model has not been reported in this area. In this study, a membrane electrode assembly of a fuel cell is modeled in which the sulfonated Poly-ether-ether-ketone is used. The model is one-dimensional an​d taking into account the presence an​d interaction of charge, mass, heat, an​d momentum transfer phenomena. The fact that the electrochemical reactions occurred once the chemical substances dissolved in the electrolyte phase is included in this model. Since not all of the properties is available for the sulfonated Poly-ether-ether-ketone membrane, two equations were obtained to use in the model which includes the equation between the humidity an​d the water content of the membrane, an​d also the equation between water uptake an​d proton conductivity of the membrane. Estimated average absolute related errors of these equations from experimental values are respectively 13 an​d 15% at 100 °C. The model was also compared with experimental values. Polarization graph that is taken from a model an​d is known as the main feature of the fuel cell performance showed 11% error comparing with Nafion experimental data an​d 19% error with SPEEK experimental data. Due to structural differences of SPEEK membrane with Nafion membrane an​d the importance of the presence o​r absence of water in the system, model results are computed using three operational conditions dry gas input, wet gas input an​d in the presence of liquid water. Due to the absence of water channels in the SPEEK membrane with dry feed gas, the least relative humidity of the feed gas which is needed for proper function of this MEA was 50%. To show the degradation of the membrane, the reduction of the average molecular weight an​d consequent increase in the free volume fraction of the polymer during the decomposition were inserted into the model. Results showed the amplification of the feed-gas crossover in the MEA.