مدل سازی و شبیه سازی سه بعدی پیل سوختی غشای پلیمری دمابالا با ترکیب نوین بر پایه ترکیب مایع های یونی دی کاتیونی و پلی بنزیمیدازول

در این مطالعه، مدلی سه بعدی و پایا برای غشای نوین هدایت پروتون شامل مایع­ های یونی دی کاتیونی که مناسب پیل­ های سوختی پلیمری دمابالا در محیط بی آب بوده، ارایه شده است. برای توسعه چنین مدلی پس از تهیه مدل هندسی سه­ بعدی و شبکه­ بندی آن، معادله­ های مومنتوم، جرم و بار الکتریکی در ناحیه­ های گوناگون پیل شامل محیط­ های متخلخل الکترودها، کانال­ های گاز و محیط­ های جامد مانند جمع کننده های جریان، گسسته سازی شده و با در نظر گرفتن اتلاف ­های موجود در پیل و بر اساس منابع به ­دست ­آمده از مدل الکتریکی و الکتروشیمیایی حل شده است. همچنین واکنش های الکتروشیمیایی در سطح فعال آند و کاتد و انتقال یونی در الکترولیت لحاظ شده است. معادله ­ها با نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی و روش المان محدود در بازه ۹۵/۰ ۴/۰ ولت با طول پله ۰۵/۰ حل شده­ اند. فرایند حل به صورت غیرخطی و روش نیوتن برای گسسته سازی معادله ­های دیفرانسیل جزئی با تلورانس ۰۰۱/۰ انجام گرفته است. تعداد ۲۰۶۴۰ شبکه بندی برای محاسبه­ های عددی صورت گرفته و تعداد تکرار ۵۰ می باشد. آزمون نبود وابستگی شبیه سازی به مش بندی صورت گرفته که با اندازه­ های گوناگون مش­ ها، اختلاف نتیجه­ ها کم ­تر از ۱% بوده که نبود وابستگی نتیجه ­ها به اندازه مش ­ها را تایید می­ کند. سرانجام مقایسه نتیجه­ های به­ دست­ آمده با داده های تجربی با نمودار ولتاژ چگالی جریان به عمل آمد. این منحنی تطابق بسیار خوبی (خطا کم­تر از ۴%) را بین نتیجه­ های مدل ­سازی حاضر و داده های تجربی نشان داده که اعتبار این مطالعه را تایید می­ کند. همچنین توزیع غلظت­ های واکنشگرها و فراورده ­ها در نقطه­ های گوناگون پیل محاسبه شده و تاثیر شرایط عملیاتی بر عملکرد پیل بررسی شده است و این مدل توانایی پیش بینی رفتار پیل سوختی غشای پلیمری دما بالا را در شرایط گوناگون عملیاتی دارا می باشد.

کلیدواژه ها:

پیل سوختی غشای پلیمری ، شبیه سازی سه بعدی ، غشای PPDC۶۴ ، روش المان محدود ، مایع های یونی دی کاتیونی