بررسی سه بعدی کارکرد پیل سوختی پلیمری لوله ای با فرض برهم کنش سیال- جامد- گرما

با توجه به روند رو به اتمام منابع سوخت فسیلی و ضرورت استفاده از انرژی­های تجدیدپذیر، می­بایست مطالعات مناسب در راستای بررسی­ های فنی و عملکردی در خصوص این منابع صورت پذیرد. لذا در این پژوهش پیل سوختی پلیمری لوله ­ای شکل به ­عنوان یک منبع انرژی مناسب با هندسه سه بعدی به­ صورت عددی، شبیه­ سازی و بررسی شده است. برای بررسی جامع، معادلات پیوستگی، ممنتوم، انرژی، تنش- کرنش و برهم کنش سیال- جامد-گرما در حالت پایا، به وسیله یک کد عددی المان محدود تعریف، با یکدیگر کوپل و سپس حل شده­ اند. با فرض تغییر ولتاژ پیل از ۰/۹۵ تا ۰/۴ ولت، عبور جریان­ تراکم پذیر سوخت و هوا در داخل کانال­ها و محیط ­های متخلخل الکترود و کاتالیست و همچنین حدود ۵ درجه افزایش دمای میانگین پیل، باعث تقریبا ۳۵ نانو متر جابجایی در بخش­های مختلف می شود. این جابجایی­ های ناشی از برهم کنش سیال- جامد- گرما موجب ایجاد تنش­های گرمایی و مکانیکی می­ شوند. تنش بیشینه در حدود ۳۵۰۰ کیلو نیوتن بر مترمربع در الکترولیت با توجه به محدودیت جابجایی آن (میانگین جابجایی ۱۲/۸ نانو متر) ایجاد می شود. سپس، رابطه تغییرات ولتاژ با چگالی جریان، تنش، سرعت جریان سوخت، جابجایی و دمای پیل سوختی نشان داده شد. همچنین نتایج نشان داد که فرض بر هم­کنش سیال- جامد- گرما توان پیل سوختی را تا حدود ۳ درصد کاهش می­ دهند. در پایان اثر پارامترهای مختلف از جمله شعاع کانال سوخت و هوا و رسانایی الکترونی و یونی بررسی شد. به­ عنوان مثال، در ولتاژ ۰/۴ ولت، کاهش ۲۰ درصدی شعاع کانال سوخت و هوا و همچنین افزایش ۱۰۰ درصدی رسانایی الکترونی و یونی به ترتیب باعث افزایش حدود ۲/۱۷، ۰/۰۵، ۳/۶۹ و ۴۰ درصد چگالی جریان الکتریکی می­ شود

Keywords:

Tubular PEM fuel cell , Three dimensional geometry , Energy , Stress- strain , Fluid- solid- heat interaction. , پیل سوختی پلیمری لوله ای شکل , هندسه سه بعدی , انرژی , تنش- کرنش , برهم کنش سیال- جامد- گرما.