دانلود پایان نامه ارشد:مدل‌سازی یک بعدی عملکرد پیل سوختی غشاء پلیمری

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته  مکانیک

عنوان : مدل‌سازی یک بعدی عملکرد پیل سوختی غشاء پلیمری

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

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(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-لایههایتشکیلدهندهپیلسوختیغشاءپلیمری   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-نتایجوبحثدرآن‌ها 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, IIوبررسیاثرآن‌هابرمنحنیقطبیت. 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 اینفرآیند،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 لایه­ها از موادی نظیر فیبر بسیار نازک کربن، آیونومر، نفیون و … استفاده می­شود که فرآوری آن­ها نیازمند یک پروسه پیشرفته و دشوار می­باشد و در انحصار کشورهای خاصی قرار دارد، همچنین مراحل ساخت برخی از این لایه­ها 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،بایدلایههای 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 می­شود. لایه‌های نفوذ گاز نیزکه در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده 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

———–

——-

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.

--  --