شبیه سازی عددی پدیده های انتقال درکاتد یک پیل سوختی اکسید جامد

یکی از موارد مهمی که بشر از ابتدا به عنوان چالشی اساسی با آن مواجه بوده است، یافتن روش های نوین و پر بازده تبدیل انرژی سوخت ها به انرژی قابل استفاده بوده است. با توجه به رشد مصرف انرژی در آینده، ذخیره سوخت های فسیلی در دنیا به سرعت کاهش یافته و نهایتا به اتمام خواهد رسید. بهره برداری بیش از حد از منابع زیر زمینی و فسیلی باعث شده است که آینده مخاطره آمیزی در انتظار کشورهایی باشد که اقتصادی متکی بر سوخت های فسیلی دارند. پیل های سوختی در میان فن آوری های موجود در زمینه انرژی پیشرو بوده و هم اکنون به سرعت در حال توسعه و بکارگیری است. استفاده وسیع از این فناوری در دهه آتی جزء سیاست های انرژی کشورهای پیشرفته جهان بوده و طراحی مهندسی پیل سوختی در صدر برنامه های تحقیقات و توسعه این کشورها قرار گرفته است. پیل های سوختی نه تنها در آینده نزدیک در حد تجاری با موتورهای احتراق داخلی رقابت خواهند کرد، بلکه این فناوری در بسیاری از موارد نظیر ماهواره ها، کلیه سیستم های حمل و نقل و نیروگاه ها کاربرد دارد. بر این اساس در مقاله حاضر به بررسی عملکرد بخش کاتد پیل سوختی اکسید جامد به منظور افزایش بهبود این بخش پرداخته شده است که این امر بدون شبیه سازی جریان سیالات و فرآیندهای الکتروشیمیایی میسر نمی شود. لذا در این مقاله جریان سیال دائمی، آرام و غیر قابل تراکم در نظر گرفته شده است. با توجه به دمای بالای عملکرد پیل سوختی اکسید جامد، گازها ایده آل فرض شده اند. لزجت سیال نیز ثابت فرض شده است . هر دو روش شبکه بولتزمن و روش اختاف محدود در مدل سازی مزیتهایی دارند. بنابراین در این پژوهش سعی شده است تا با ادغام این دو روش، عاوه بر رفع نقص در هر یک از روش ها، از مزایای هر یک برای بررسی جریان سیالات در کاتد پیل سوختی اکسید جامد استفاده گردد. معادلات حاکم بر لایه ها و کانال موجود در بخش کاتد پیل سوختی اکسید جامد به تفکیک ارائه شده است. روش شبکه بولتزمن تک گونه با مدل (D(۲)Q(۹ به منظور حل معادلات بقای جرم کلی و بقای مومنتم و دست یابی به توزیع سرعت در نقاط مختلف پیل سوختی استفاده شده است. برای تحلیل و بررسی تغییرات کسر مولی گونه های موجود، معادله بقای گونه با استفاده از روش اختاف محدود در قسمت های مختلف بخش کاتد پیل سوختی حل گردید. در این پژوهش همچنین تاثیر تغییرات چگالی جریان الکتریکی، تخلخل لایه نفوذ، تخلخل لایه کاتالیست و ضخامت لایه کاتالیست بر روی کسر مولی هر کدام از گونه ها بررسی شد. تغییرات کسر مولی اکسیژن برای مقادیر چگالی جریان الکتریکی بدون بعد ۰۲۳ / ۰، ۰۵۶ / ۰ و ۰۷۹ / ۰ بررسی گردید. نتایج نشان داد که با افزایش چگالی جریان الکتریکی، مقدار مول مصرفی از گازهای واکنش دهنده افزایش می یابد. این مساله سبب می گردد تا اکسیژن خروجی از کانال کاهش یابد که باعث بهبود کارکرد پیل سوختی می گردد. درصد تخلخل در نظر گرفته شده برای لایه کاتالیست الکترود، ۳۰ ، ۴۰ و ۵۰ درصد بود. با افزایش تخلخل لایه کاتالیست به دلیل کم بودن مقدار سرعت در این لایه، تاثیری در کسر مولی اکسیژن مشاهده نشد. کاهش درصد تخلخل در لایه نفوذ سبب افزایش کسر مولی اکسیژن ورودی به این ناحیه گردید. ضخامت لایه کاتالیست نیز ۵۰ ، ۷۵ و ۱۰۰ میکرومتر در نظر گرفته شد. افزایش ضخامت لایه کاتالیست کاتد احتمال تولید یون اکسیژن را افزایش داد.

کلیدواژه ها:

پیل سوختی اکسید جامد ، روش شبکه بولتزمن ، روش اختلاف محدود