بهینه سازی هندسی توان خالص تولیدی و توزیع یکنواخت جریان پیل سوختی با میدان جریان موازی

تعریف مسئله: در این تحقیق پیل سوختی با کانال های موازی نشان داده شده در شکل ۱ مورد تحلیل قرار گرفته است. قسمت های تیره تر مربوط به دیواره ها و ریب های پیل سوختی می باشند و فلش ها نشانگر جهت جریان داخل کانال می باشند. در عمل برای یکنواخت کردن جریان ورودی به هر کدام از کانال ها، تعدادی مانع را در مسیر جریان ورودی قرار می دهند (شکل ۱- الف). در این حالت می توان هنگام مدل سازی، جریان ورودی را به صورت شکل (۱- ب) در نظر گرفت. اهداف: در این تحقیق، تاثیر هندسه سطح فعال پیل بر عملکرد آن بررسی شده است. پارامترهای هندسی مورد بررسی، طول و عرض بهینه برای پیل سوختی با میدان جریان موازی که ولتاژ آن که ۰.۳ ولت و دارای سطح مقطع (حاصل ضرب طول و عرض کانال) ثابت است، می باشد. فرضیات: فرضیاتی که برای حل معادلات حاکم بر پیل های سوختی می توان در نظر گرفت عبارت اند از: جریان سیال داخل کانال پیل سوختی بصورت پایا فرض شده است؛ جریان هوای ورودی و داخل کانال گاز ایده آل فرض شده است؛ از تاثیر گرانش صرف نظر شده است. جریان بصورت تک فاز تحلیل شده است. دمای کاری پیل سوختی ثابت فرض شده است. روش حل: ۲۰ هندسه مورد بررسی در گمبیت مش زنی شده و با نرم افزار فلوئنت، مسئله تحلیل شد. شرایط مرزی انتخاب شده بدین صورت است که صفحه ی ورودی گازها به صورت Mass_Flow_Inlet و صفحهی خروجی به صورت Pressure_Outlet و تمامی دیواره های بالای لایه ی کاتالیست، کف کانال و دیواره های جانبی به صورت Wall در نظر گرفته شده اند. خلاصه ای از نتایج: طبق نتایج به دست آمده از مدل سازی انجام شده، توان خالص تولیدی با افزایش طول کانال افزایش یافته و به یک مقدار ماکزیمم رسیده و سپس کاهش می یابد، از این رو مقدار مناسب برای طول کانال با در نظر گرفتن توان خالص تولیدی به عنوان تابع هدف، بازه ۸۰ تا ۱۰۰ میلی متر می باشد. یکی از موارد مطلوب در پیل سوختی داشتن توزیع چگالی جریان یکنواخت در لایه کاتالیست است. با بررسی کردن انحراف معیار چگالی جریان نشان داده شد که با افزایش طول کانال مقدار یکنواختی چگالی جریان از طول ۸۰ میلی متر به بعد در کمترین مقدار خود بوده و بعد از آن به حالت ثابت می رسد. با افزایش طول کانال بازده پیل سوختی موازی مورد بررسی کاهش می یابد که این کاهش تا کانال با طول ۸۰ میلی متر کمتر از ۱% است و قابل چشم پوشی می باشد اما در طول های بالاتر از آن نرخ کاهش بازده بیشتر است و باید مورد توجه قرار گیرد. در نهایت با در نظر گرفتن مجموعه ای از مشخصات مطلوب برای پیل سوختی مورد نظر می توان گفت که کانالی با طول ۸۰ میلی متر و عرض حدود ۱۵ تا ۲۰ میلی متر مناسب تر می باشد.

Keywords:

پیل سوختی غشا پلیمری , کانال موازی , بهینه سازی هندسی , عملکرد پیل سوختی , مدل سازی عددی