توضیحات

پروژه شبیه سازی میدان جریان مارپیچ صفحات توزیع کننده گاز پیل سوختی در نرم افزار انسیس فلوئنت

 

 

Simulation of Serpentine Flow Field of Gas Distributor Plates of Fuel Cell in ANSYS FLUENT

 

پیل سوختی:

استفاده فراگیر از سوخت های فسیلی خسارات جبران ناپذیری بر اکوسیستم جهان تحمیل نموده است لذا یکی از موارد مهم که بشر به آن مواجه بوده است يافتن روش هایی برای تبدیل انرژی سوخت به انرژی قابل استفاده به طوری که حداقل آلایندگی در محیط زیست ایجاد شود. به طور کلی برای تبدیل سوخت به انرژی قابل استفاده دو روش مستقیم و غیر مستقیم وجود دارد. در روش غير مستقيم، انرژی شیمیایی سوخت به کار مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. شاید بتوان اولین مبدل تبدیل غیر مستقیم انرژی را ماشین های اولیه بخار معرفی کرد که بازده مطلوبی نداشته است و سپس با اختراع موتورهای احتراق داخلی بوسیله اتو، این بازده به مرور بهبود یافته است و با پیشرفت علم ترمودینامیک سیکل کارنو که ایده آل ترین سیکل حرارتی می باشد، ارائه شده که بازده حرارتی سیکل کارنو محدود به دمای دو منبع حرارتی که سیکل در آن محدوده کار می کند می باشد. در روش غیر مستقیم به دلیل وقوع احتراق در درجه حرارت های بالا گازهای سمی مثل NOx و CO تشکیل می شود که آلوده کننده محیط زیست هستند. در روش مستقیم، انرژی شیمیایی سوخت مستقیما بدون واسطه به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

یکی از مبدل های مستقیم انرژی، پیل سوختی است. پیل سوختی یک مبدل الکتروشیمیایی است که از یک کاتد و آند و یک الکترولیت تشکیل شده است و با وقوع واکنش های الکتروشیمیایی اکسیداسیون و احیاء انرژی شیمیایی سوخت را بدون ایجاد آلودگی های زیست محیطی و صوتی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند و تا لحظه ای که سوخت و اکسید کننده به پیل وارد شود، قادر به تولید انرژی الکتریکی می باشد. پیل سوختی برخلاف ماشین حرارتی از سیکل کارنو تبعیت نمی کند و بازده آن محدود به سیکل کارنو نمی باشد. هیدروژن، سوخت رایج مورد استفاده در پیل سوختی است که به عنوان سوختی پاک شناخته شده است که با بهره گیری از منابع تجدیدپذیر و روش الکترولیز آب به صورت انبوه با کمترین مقدار آلایندگی تولید می شود. جریان الکتریکی خروجی از پیل سوختی، جریان مستقیم با ولتاژ کم است که این امر موجب می شود امکان استفاده پیل سوختی در بسیاری از وسایل برقی فراهم شود و برای تولید قدرت مورد نیاز هر وسیله می توان پیل های سوختی را به صورت سری به یکدیگر متصل کرده که به آن توده پیل سوختی گفته می شود.

تاریخچه پیل سوختی و کاربردها:

تاریخچه پیل سوختی به اوایل قرن نوزدهم بر می گردد. در آن زمان ویلیام گرو در حال تحقیق بر روی عمل الکترولیز آب بود. آزمایش های او در سال ۱۸۳۹ منجر به ایده ای شد که میتوان الکترولیز آب را عکس کرد و از واکنش شیمیایی هیدروژن و اکسیژن، الکتریسیته تولید کرد. او برای آزمایش تئوری خود که شماتیک آن در شکل زیر نشان داده شده است دو نوار پلاتینی را در دو بطری جداگانه که یکی حاوی اکسیژن و دیگری حاوی هیدروژن بود، قرار داد. وقتی این دو ظرف درون اسید سولفوریک غوطه ور شدند، جریان الکتریسیته تولید می شود که او آن را باتری گازی نامید.

شکل آزمایش پیل سوختی ویلیام گرو.

واژه باتری گازی بعدها توسط دانشمندان به نام های لودویک مند و چالز لنجر به پیل سوختی تغییر یافت. آنها در سال ۱۸۸۹ یک نمونه عملی از پیل سوختی که با گاز زغال سنگ و هوا کار می کرد یافتند اما موانع علمی زیادی سر راه تجاری سازی این فن آوری بوده است. تحقیقات زیادی برای تجاری سازی آن انجام شده که مهمترین تحقیقات به آغاز دهه ۱۹۶۰ برمی گردد در این زمان سازمان ناسا در ایالات متحده امریکا به دنبال راهی برای تامین انرژی در فضاپیما می گشت تا آن زمان گزینه هایی مثل باتری به علت سنگین بودن، انرژی خورشیدی به علت گران بودن و انرژی هسته ای را کنار گذشته بوده اند و در جستجوی یک مبدل مناسب برای تامین انرژی بوده اند که همین امر موجب تحقیقات گسترده سازمان ناسا بر فن آوری پیل سوختی شده است.

به طور هم زمان شرکت جنرال الکتریک هم بر روی پیل سوختی تحقیقات انجام داده و پیل سوختی با بازده قابل قبولی را طراحی کرد. پس از آن شرکت جنرال الکتریک و سازمان ناسا با همکاری یکدیگر پیل سوختی را در پروژه فضایی جمینی به کار بردند این اولین استفاده تجاری از پیل سوختی بوده است. بنابراین کاربردهای فضایی پیل سوختی انگیزه مناسبی جهت رشد مطالعات و تحقیقات برای افزایش و بهبود بازده و عملکرد این فن آوری ایجاد کرد.

بحران نفت، توجه را به استفاده از پیل سوختی برای مصرف در حمل و نقل زمینی جلب کرد که منجر به کشف مواد مناسب برای اجزای پیل سوختی و همچنین کاهش هزینه های تولیدی آن شد. سرانجام در سال ۱۹۹۳ شرکت کانادایی بالارد موفق به ساخت پیل سوختی مقرون به صرفه با تولید توان یک کیلو وات بر لیتر شد. شیکاگو اولین شهر در جهان بود که در آن اولین اتوبوس پیل سوختی به کار گرفته شد.

کاربردهای دیگر پیل سوختی استفاده در وسایل حمل و نقل مثل لپتاپ و تلفن همرا نیز می باشد و با این فن آوری می توان با یک بار شارژ کردن چندین روز از وسایل قابل حمل استفاده کرد و همچنین می توان در وسایل تولید توان ساکن از جمله نیروگاه ها تولید الکتریسیته و در صنایع نظامی برای تولید انرژی مورد نیاز تجهیزات نظامی استفاده شود و چون دمای عملکرد بعضی از پیل های سوختی پایین است ردیابی حرارتی تجهیزات نظامی توسط رادار مشکل تر خواهد شد.

ساختار پیل سوختی :

هر پیل سوختی از سه ناحیه آند، كاتد و غشاء یا الکترولیت تشکیل شده است. ناحیه آند و کاتد هرکدام شامل سه قسمت از جمله صفحات توزیع کننده گاز، الکترودها یا لایه های نفوذ گاز و کاتالیست ها بوده و ناحیه الکترولیت شامل یک قسمت می باشد که در مرکز پیل سوختی قرار گرفته است. هر یک از قسمتهای پیل سوختی فرآیندهای مخصوص به خود را انجام می دهند. همچنین در هر یک از ناحیه ها پیل سوختی واکنش الکتروشیمیایی مخصوص به آن اتفاق می افتد که به صورت زیر تعریف شده است:

۱- در واکنش ناحیه آند الکترون ها تولید شده و واکنش اکسایش صورت می گیرد.

2- در واکنش ناحیه کاتد الكترون ها با گونه ها واکنش داده و واکنش کاهش (احيا) صورت می گیرد.

شکل اجزاء پیل سوختی.

 

صفحات توزیع کننده گاز:

وظیفه های اصلی صفحه های توزیع کننده گاز، انتقال سوخت و هوا به الکترودها و خارج کردن محصولات واکنش از پیل سوختی می باشد و همچنین جمع آوری جریان الکتریکی و هدایت آن به مدار خارجی و دفع حرارت تولید شده از پیل سوختی می باشد. سه وجه این صفحات بسته و از یک وجه به الکترود متصل و در آن قسمت تبادل واکنش دهنده ها و یا محصولات صورت می گیرد. این صفحات بیشترین درصد وزن یک پیل را شامل می شوند. شیارهایی در داخل صفحات تعبیه شده است که هندسه آن از جمله عمق، ضخامت و نوع شیار تاثیر فراوانی بر نحوه توزیع گازها بر روی لایه الکترود دارد.

شکل بعضی از انواع اشکال کانال توزیع کننده سوخت. الف) مارپیچ ب) موازی ج) متصل ۲ د) پین.

 

لایه نفوذ گاز:

وظيفه لايه نفوذ گاز انتقال سوخت و هوا به کاتالیست ها و انتقال الكترون و آب تولیدی به صفحه توزیع گاز می باشد. ساختار این لایه متخلخل است که موجب می شود گازهای واکنش دهنده به خوبی روی سطح لایه نفوذ گاز قرار گرفته شوند و به این ترتیب تماس بیشتری بین گازهای واکنش دهنده و لایه کاتالیست به وجود آید. لایه نفوذ گازی عمدتا از الیاف کربن تولید می شوند و ضخامت این صفحات معمولا بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ میکرومتر می باشد. به دو صورت عمده الیاف کربن بافته می شوند که در یک الیاف کربن به شیوهای مشابه آنچه در صنعت نساجی استفاده میشود به یکدیگر بافته می شود که به پارچه کربنی معروف است و در نوع دیگر الیاف کربن به شیوهای مشابه آنچه در تولید کاغذ استفاده می شود به هم بافته می شود که به آن کاغذ فیبر کربنی می گویند. پارچه کربنی ضخامت بیشتری دارد و باعث استحکام مکانیکی پیل سوختی می شود در حالی که اگر حجم و فشردگی پیل سوختی اهمیت داشته باشد باید از کاغذ فیبر کربنی استفاده شود.

شکل انواع الیاف کربنی الکترود الف) پارچه کربنی ب) کاغذ فیبر کربنی.

 

الکترولیت:

الکترولیت بین دو ناحیه آند و کاتد قرار گرفته است به طوری که می توان به عنوان هسته اصلی پیل سوختی نام برد که وظیفه آن انتقال یون های تولید شده از آند به سمت کاتد است. در هر نوع از پیل سوختی، الکترولیت ها مشخصات ویژه ای دارند که می توان به عایق بودن نسبت به جریان الکتریسیته و جلوگیری از عبور و تماس مستقیم گازهای واکنش دهنده نام برد. الکترولیت ها به صورت مایع و جامد وجود دارند که بستگی به نوع کاربرد و دمای عملکرد پیل سوختی انتخاب می شوند همچنین در بعضی از الکترولیت ها آب مایع، نقش مهمی را برای انتقال یون ها ایفا می کند که در صورت خشک شدن الکترولیت عملکرد پیل سوختی نامطلوب می شود.

کاتالیست:

واکنش های الکتروشیمیایی منجر به آزاد شدن الكترون و پون می شود و این واکنش ها باید در محلی انجام شود که عوامل هدایت کننده الکترون و گونه های شیمیایی موجود باشد لذا واکنش الکتروشیمیایی باید در فصل مشترک الکترود و الکترولیت انجام شود. با توجه به انرژی فعال سازی زیاد برای انجام واکنش ها الکتروشیمیایی در دمای پایین، مستلزم به استفاده از کاتالیزور برای کاهش سد انرژی فعال سازی می باشد. کاتالیست می تواند این نقش را به خوبی ایفا کند و انرژی فعال سازی را کاهش دهد. لذا کارایی کاتالیست در پیل سوختی دما پایین با اهمیت می باشد و لایه کاتالیست محل انجام واکنش های الکتروشیمیایی پیل سوختی است.

کاتالیست بسیار نازک است و جنس آن شامل اتم فلزاتی ازجمله پلاتین یا نیکل که از یک طرف بر لایه متخلخل کربنی الکترود چسبانده و از طرف دیگر لایه غشاء آن را احاطه کرده است و هنگامی که اتم های هیدروژن به عنوان سوخت پیل سوختی در مجاورت با اتم های فلزات لایه کاتالیست قرار گیرد جذب آن شده و در اثر واکنش الکتروشیمیایی اکسایش می یابد وتوليد الكترون و پروتون می کند. اتمهای کربن در کاتالیست، هدایت کننده الكترون و غشاء در کاتالیست، هدایت کننده پروتون می باشند.

انواع پیل سوختی:

پیل سوختی از منظرهای مختلف دسته بندی می شوند. این دسته بندی ها بر اساس نوع سوخت و اکسیدکننده مصرفی، محل تبدیل سوخت (خارجی یا داخلی)، دمای عملکردی، نوع یون مبادله شده و نوع الکترولیت می باشند. دسته بندی رایج بر مبنای نوع الکترولیت به کار رفته در آن است بر این اساس پیل های سوختی به ۶ دسته تقسیم بندی می شود.

١- پیل سوختی غشاء پلیمری

۲- پیل سوختی اسید فسفریک

٣- پیل سوختی آلكالين

۴- پیل سوختی کربنات مذاب

۵- پیل سوختی اکسید جامد

۶- پیل سوختی متانولی.

هر یک از پیل های سوختی شرایط مخصوص به خود را دارند. هر پیل سوختی در دمای مخصوص به خود کار می کند که در این میان، پیل سوختی پلیمری به دلیل دمای کارکرد پایین، زمان راه اندازی آن کم است. همچنین، در هر پیل سوختی با توجه به نوع الكترولیت، یون مبادله کننده و دمای کاری آن می توان از سوخت های مختلفی استفاده شود اما متناسب به نوع پیل سوختی بعضی از ناخالصی موجود در سوخت موجب مسمومیت پیل سوختی می شود. از پیل های سوختی در صنعت های مختلف می توان استفاده کرد مثلا پیل سوختی اکسید جامد وكربنات مذاب به دلیل اینکه غشاء آنها به صورتی است که توانایی کار در دمای بالا را داشته و همچنین می توانند توان زیادی را تولید کنند لذا در بخش نیروگاهی بسیار مفید می باشند اما در پیل سوختی غشاء پلیمری با توجه به غشاء پلیمری جامد و انعطاف پذیر، آلایندگی کم و زمان راه اندازی پایین، گزینه مناسبی برای کاربردهای متحرک و وسایل قابل حمل به شمار می آید.

کانال های جریان گاز:

کانال های جریان گاز به منظور هدایت و توزیع واکنش دهنده ها به اشکال مختلف طراحی می شوند. این کانال ها معمولا به صورت شیارهایی روی صفحات دوقطبی در توده پیل سوختی به وجود می آیند. این لایه همچنین شامل بخش های جامد بوده که نقش رساندن الكترون به لایه ی نفوذ گاز و انتقال حرارت تولیدی به مدار خنک کننده را انجام میدهد. میدان شارش میبایست طوری طراحی گردد که افت فشار بهینه باشد و انتقال جرم کافی از لایه نفوذ  گازی به سطح کاتالیست برای انجام واکنش نیز فراهم گردد. پارامترهای دیگری از قبیل طول و تعداد کانال، شکل سطح مقطع کانال، عرض کانال و ریب و عمق کانال نیز بر روی عملکرد پیل س وختی تأثیر گذارند. طرح های رایج و مختلف میدان شارش عبارتند از موازی، پینی، مارپیچی و درهم پیچیده که در شکل زیر نمایش داده شده است.

شکل طرح های مختلف میدان شارش گازهای واکنش دهنده. (آ) موازی مستقیم، (ب) پینی، (ج) مارپیچی (تک کانال)، (د) درهم پیچیده.

در جدول زیر مزایا و معایب طرح های مختلف میدان شارش گاز بیان شده است. مواردی همچون افت فشار، توزیع یکنواخت ، دفع آب مناسب، انتقال حرارت مناسب و… معمولا در انتخاب و طراحی میدان شارش حائز اهمیت می باشند.

جدول مقایسه مزایا و معایب طرح های مختلف میدان جریان.

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی میدان جریان مارپیچ(serpentine) صفحات توزیع کننده گاز پیل سوختی در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است.

هندسه:

هندسه مسئله در نرم افزار سالیدورک ترسیم شده است.

 

 

مش بندی:

شبکه و مش بندی در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.

 

 

شبیه سازی:

شبیه سازی در نرم افزار فلوئنت(FLUENT)  انجام شده است.

به منظور حل مسئله از حلگر فشار مبنا (Pressure based) استفاده شده است.

 

جریان به صورت آرام (Laminar) درنظرگرفته شده است.

 

برای ارتباط فشار و سرعت از الگوریتم سیمپل(SIMPLE)   استفاده شده است. برای گسسته سازی معادلات فشار از روش مرتبه دوم و برای گسسته سازی معادله مومنتوم از طرح Third order MUCL استفاده شده است.

 

 

 

نمونه نتایج شبیه سازی: