فشار کاتد (bar)
۵
۵
۵-۳ تاثیر دما بر عملکرد پیل سوختی
وقتی دما از ۶۰ درجه سانتی گراد افزایش می یابد، عملکرد پیل سوختی بهتر می شود ولی پس از دمای ۷۵ درجه سانتی گراد با افت روبرو میشود، دلیل این امر را میتوان به این صورت بیان نمود که در دماهای بالاتر از دمای مخزن رطوبت ساز، غشا در اثر گرمای بدنه پیل به سرعت رطوبت خود را از دست میدهد و در نتیجه از دست دادن رطوبت قابلیت هدایت پروتون در غشا را کاهش می دهد و همین امرسبب افزایش مقاومت داخلی پیل و در نتیجه افت عملکرد پیل میگردد.
دلایل افزایش کارایی پیل با افزایش دما از ۶۰ درجه سانتی گراد را میتوان به این صورت بیان کرد. با افزایش دما چگالی جریان تبادلی افزایش می یابد، که این امر سبب کاهش افتهای فعال سازی در پیل می گردد.
افزایش دما در شرایط مرطوب بودن غشا، باعث کاهش مقاومت غشا در برابر عبور پروتون از آن میگردد و در نتیجه این امرچگالی جریان و قابلیت هدایت پروتون غشا را افزایش می دهد.
پتانسیل مرجع با افزایش دما ، افزایش مییابد، که این امر میتواند به وسیله افزایش نفوذپذیری هیدروژن با افزایش دما توجیه شود.
با افزایش دما، ظرفیت گاز برای حمل آب افزایش مییابد و از طرفی در دماهای پایین امکان تبدیل بخار آب موجود در گازها، به قطرات آب نیز وجود دارد.
۵-۴ تاثیر فشار بر عملکرد پیل سوختی
رفتار پیل سوختی با افزایش فشار، چه در سمت آند و چه در سمت کاتد، بهبود مییابدکه این بهبود را میتوان با دلایل زیر توجیه کرد.
افزایش فشار در پیل سبب افزایش فشار جزیی واکنش دهندهها در پیل میگردد.
با افزایش فشار، نفوذ گازهای واکنش دهنده در لایه پخش کننده گاز افزایش مییابد و همچنین مقاومتهای انتقال جرم در پیل کاهش مییابد.
وقتی پیلسوختی در فشار محیط کار میکند، در نواحی وسیعی در گوشه های لایه پخش کننده گاز و کانالهای توزیع جریان، گازها تقریبا راکد میباشد، این نواحی از غشا معمولا جریانی تولید نمیکند، ولی در حالتی که پیل تحت فشار کار میکند، واکنش دهندهها تحت فشار مجبور به عبور از این نواحی میگردند و در نتیجه سطح موثر فعال در واکنشهای الکتروشیمیایی افزایش مییابد.
شکل (۵-۲) لایه ماکزیمم توان به ازای مقادیر مختلف فشار دو سمت آند و کاتد و دمای ثابت و برابر دمای بهینه ۷۵ درجه سانتی گراد را نشان میدهد. همان طور که از شکل مشخص است با افزایش مقدار فشار در هر دو سمت مقدار ماکزیمم توان افزایش پیدا کرده است.
شکل(۵-۲) ماکزیمم توان به ازای مقادیر مختلف فشار آند و کاتد. دمای کارکردی پیل ثابت و برابر دمای بهینه oC75
۵-۵ اهمیت فشار آند نسبت به فشار کاتد
در شکلهای (۵-۳) و (۵-۴) به ترتیب مقدارهـای ماکزیمم توان و منحـنی پلاریزاسـیون به ازای فشـارهای مختلف سمت کاتد و مقادیر ثابت برای فشار آند و دمای کارکردی پیل سوختی نشان داده شده است. در این دو شکل فقط فشار کاتد تغییر کرده و مقادیر فشار آند و دمای عملکردی پیل سوختی در مقادیر بهینه خود ثابت نگه داشته شدهاند.
همچنین در شکلهای (۵-۵) و (۵-۶) به ترتیب مقدارهای ماکزیمم توان و منحنی پلاریزاسیون به ازای فشارهای مختلف سمت آند و در فشار ثابت کاتد و برابر فشار بهینه و دمای ثابت بهینه oC75 نشان داده شده است. همانطور که از شکلهای (۵-۴) و (۵-۶) مشخص است افزایش فشار چه در سمت آند و چه در سمت کاتد سبب افزایش مقدار ماکزیمم توان می شود و همچنین منحنی های پلاریزاسیون مربوط به فشارهای بالاتر در شکلهای (۵-۵) و (۵-۷) نشان دهنده راندمان بالاتر و بازدهی بهتر پیل سوختی است اما نکته قابل توجه در مقایسه با افزایش فشار در سمت آند و کاتد، حساسیت بیشتر پیل سوختی نسبت به افزایش فشار در سمت آند است. در مقایسه دو شکل (۵-۲) و (۵-۴) مشخص است که شیب منحنی در شکل (۵-۴) بیشتر بوده و این نشانگر این است که پیل سوختی حسـاسیت بیشـتری به فشار سـمـت آند دارد. دلیل نزدیک بودن بیـش از حـد منحنـی هـای پلاریزاسیون به یکدیگر در شکل (۵-۴) همین موضوع است. دلیل تاثیر بیشتر تغیـیرات فشار
شکل (۵-۳) ماکزیمم توان پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابرمقادیر بهینه
شکل (۵-۴) منحنی های پلاریزاسیون پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه
در سمت آند نسبت به همان میزان تغییرات فشار در سمت کاتد را میتوان به دلیل اهمیت واکنشهای انجام شده درسمت آند دانست. سوخت هیدروژنی در سمت آند قرار دارد و واکنشهای مربوط به سوخت و تجزیه هیدروژن در سمت آند صورت میگیرد و با افزایش فشار جزیی سمت آند در واقع واکنشهای پیل سوختی تحت فشار بیشتر صورت میپذیرد و قابلیت انتقال پروتون از غشا افزایش مییابد، در صورتیکه افزایش فشار در سمت کاتد تنها منجر به پمپاژ اکسیژن بیشتر و خروج سریعتر آب تولیدی میگردد.
شکل (۵-۵) ماکزیمم توان پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشار کاتد و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه
شکل (۵-۶) منحنی های پلاریزاسیون پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشارکاتد و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه
۵-۶ نمودارهای سه بعدی دما-فشار
با بدست آوردن مقادیر برازندگی به ازای مقادیر مختلف دما و فشارهای مختلف آند و کاتد میتوان با رسم منحنی های مختلف، رفتار پیل سوختی را به ازای مقادیر مختلف دما و فشارهای هر دو سمت آند و کاتد بررسی کرد. شکلهای (۵-۷) و (۵-۸) به ترتیب مقدار ماکزیمم توان به ازای دماهای کارکردی و فشارهای مختلف برای آند و کاتد را نشان میدهد. کاملا مشخص است که منحنی با افزایش دما از oC68 شیب صعودی داشته و پس از دماهای ۷۴ و ۷۵ درجه سانتی گراد افت می کند. همچنین در این دو شکل میتوان به افزایش راندمان به ازای فشارهای جزیی آند و کاتد اشاره کرد که گرچه هر دو روند صعودی دارند ولی شیب افزایش منحنی در شکل (۵-۷) به دلیل حساسیت عملکرد پیل سوختی به فشار جزیی آند، بیشتر از شیب مشابه در منحنی (۵-۸) است. در پیوست ب منحنی های دو بعدی و سه بعدی بیشینه توان به ازای دمای سلول و فشار جزیی سمت کاتد و در فشار های ثابت آند نمایش داده شده است.
شکل (۵-۷) ماکزیمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف آند. فشار کاتد ثابت و برابر فشار بهینه کاتد
شکل (۵-۸) ماکزیمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف کاتد. فشار آند ثابت و برابر فشار بهینه آند
فصل ششم:
نتیجه گیری و پیشنهادات
در این فصل ابتدا نتایج حاصل از این پژوهش به صورت خلاصه بیان شده و سپس پیشنهاداتی برای ادامه تحقیقات ارائه شده است.
۶-۱ نتیجه گیری
در پژوهش حاضر به بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی پلیمری پرداخته شده است. یکی از قویترین و پرکاربردترین الگوریتمهای بهینه سازی، الگوریتم ژنتیک میباشد که از این الگوریتم به عنوان ابزار بهینه سازی استفاده شده است. متاسفانه الگوریتم ژنتیک وابستگی بسیاری به تابع برازندگی تعریف شده دارد و قویترین الگوریتمهای طراحی شده بدون داشتن یک تابع ارزیابی مناسب به جواب صحیح منجر نمیشود. در این تحقیق هدف یافتن مقادیر مناسب دمای کاری پیل سوختی، فشار سمت آند و فشار سمت کاتد بود، چنانکه منحنی توان رسم شده به ازای این مقادیر از پارامترها، بیشترین بیشینه توان را داشته باشند یا به عبارت دیگر پیل سوختی در ازای این مقادیر بالاترین راندمان خروجی را داشته باشد. پس از تعریف مقدار حداکثر منحنی توان به عنوان تابع ارزیابی، از نرم افزار نوشته شده در گروه پژوهشی پیل سوختی دانشگاه برای تولید منحنی های توان و پلاریزاسیون استفاده گردید. این نرم افزار که بر اساس حل تحلیلی-عددی است، ابتدا مقادیر عملکردی و همچنین مقادیر هندسی را بعنوان ورودی دریافت میکند و سپس به حل تحلیلی می پردازد و در انتها منحنی پلاریزاسیون و توان را رسم میکند که با بهره گرفتن از منحنی توان میتوان مقدار ماکزیمم را استخراج کرد. یک برنامه بهینه سازی الگوریتم ژنتیک در محیط برنامه نویسی نرم افزار مطلب طراحی شد. سپس دامنه مقادیر متغیرها به گامهای کوچک، تقسیم بندی شد و با بهره گرفتن از نرم افزار فوق، مقادیر ارزیابی مختلف به دست آمده و در جداول Lookup table قرار گرفتند. پس از تکمیل جداول فوق و لینک کردن برنامه الگوریتم ژنتیک با سیمولینک، از الگوریتم نوشته شده برای بهینه سازی پارامترهای عملکردی استفاده شد که در نهایت جوابهای بهینه حاصل شدند. الگوریتم ژنتیک لینک شده با محیط سیمولینک مطلب مقادیر oC75 ، bar5 ، bar5/4 را به عنوان مقادیر بهینه برای دمای کاری پیل سوختی پلیمری، فشار سمت کاتد و همچنین فشار سمت آند بیان میکند در صورتیکه سلیمان و همکارش در سال ۲۰۰۷ با انجام آزمایشات به ترتیب مقادیر oC75 ، bar5 ، bar5 را به عنوان مقادیر بهینه برای دمای کاری پیل سوختی پلیمری، فشار سمت کاتد و فشار سمت آند پیشنهادکرده بودند.
۶-۲ پیشنهادات
به منظور ادامه پژوهشها در این زمینه پیشنهادات زیر ارائه می شوند:
به کارگیری ترکیبی شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک به عنوان ابزارهای بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی و استفاده از یک سری آزمایشات محدود در جهت آموزش شبکه
بهینه سازی در نوع مواد تشکیل دهنده قطعات به کار رفته در پیل سوختی همچون نوع غشا و کاتالیست و… که میتوان آن را بهینه سازی مواد جایگزین قلمداد کرد.
به کارگیری روش تاگوچی در بهینه سازی پارامتر های هندسی بدلیل کاهش تعداد آزمایشات
بهینه کردن انرژی مصرف شده پیل سوختی که مهمترین بهینه سازی در محدوده عملکرد پیل سوختی به شمار میآید، طوری که با در نظر گرفتن انرژیهای اولیه مصرف شده برای راه اندازی پیل سوختی، در دراز مدت بتوان بیشترین راندمان را از پیل سوختی دریافت کرد.
فهرست مراجع
[۱] Soleyman K, Akyalcin L. Optimization of parametric performance of a PEMFC. J Hydrogen Energy 2007;32:4418-23.
[۲] Barbir F. PEM Fuel cells: theory and practice. . University of Connecticut. ISBN: 0-12-078142-5, 2005.
[۳] Beattie PD, Basura VI, Holdcroft S. Temperature and pressure dependence of O2 reduction at Pt|Nafion® 117 and Pt|BAM® 407 interfaces. J Electroanal Chem 1999;468:180-92.
[شنبه 1401-04-04] [ 07:53:00 ب.ظ ]
|