چکیده
به منظور طراحی هرچه دقیقتر و قدم برداشتن در جهت طراحی سیستم کنترل سلول های سوختی شناخت صحیح پاسخ تولیدی الکتریسیته در مقابل پارامترهای جریان ورودی و خروجی از اهمیت بسزایی برخوردار است. هدف از پژوهش پیش رو انجام روند منطقی طراحی سلول سوختی کربنات مذاب میباشد. بدین منظور این مطالعه در نظر دارد تا با انتخاب یک مدل تجربی معتبر و شبیه سازی کارکرد سلول سوختی کربنات مذاب به ارزیابی صحت شبیه سازی اولیه به منظور گام برداشتن در جهت مدلسازی نهایی و بررسی متغییر های کارکرد همچون هندسه کانال، فشار کارپیل و جهت حرکت سیال در کانال ها (که از مهمترین مباحث در جهت طراحی کنترلر است) در سلول سوختی کربنات مذاب بپردازد. در این راستا در قدم ابتدایی از نرم افزار COMSOL Multiphysics به عنوان ابزار مدلسازی بهره گرفته شده است.مدلسازی برای یک هندسه سه بعدی و تک سلول پیل سوختی با درصدهای مولی نظیر و ابتدا در۳ فشار مختلف مشابه با مدل تجربی موجود انجام گرفته و نتایج مدلسازی با مدل تجربی معرفی شده پس از بررسی، نتایج حاکی از آن است که افزایش فشار کار در پیل سوختی همچون نمونه تجربی موجود، موجب افزایش چگالی جریان می شود. (با توجه به کوچک بودن مدل در حدود (۱/۲۰ مطابقت قابل قبولی بین نتایج مدلسازی توسط نرم افزار

۲

COMSOL Multiphysic و نتایج تجربی وجود دارد از این رو گام اول در زمینه اعتبار سنجی و امکان سنجی مدلسازی پیل سوختی توسط نرم افزار موجود احراز میگردد.

واژههای کلیدی: پیل سوختی،کربنات مذاب،مدلسازی،۳COMSOL Multiphysics

-۱ مقدمه

انرژی از دیرباز به عنوان موتور محرک جوامع بشری شناخته شده است و با پیشرفت بشر بر اهمیت و تأثیرگذاری آن در زندگی بشر افزوده شده است. امروزه مجموعهای از عوامل مختلف از جمله محدودیت منابع فسیلی، تأثیرات منفی زیست محیطی بهرهگیری از منابع هیدروکربنی و افزایش قیمت سوختهای فسیلی از جمله دلایلی هستند که بسیاری از متخصصین مباحث انرژی و محیط زیست را به حرکت به سوی ایجاد ساختاری نوین مبتنی بر امنیت ارائه انرژی، حفظ محیط زیست، ارتقاء کارایی سیستم انرژی وادار نموده است. بر این اساس پیل های سوختی یکی از بهترین گزینهها جهت ایفای نقش حامل انرژی در سیستم جدید ارائه انرژی میباشد.

پیلهای سوختی فناوری جدیدی برای تولید انرژی هستند که بدون ایجاد آلودگیهای زیست محیطی و صوتی، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده، انرژی الکتریکی با بازدهی بالا تولید مـی کننـد. تولیـد مسـتقیم الکتریسـیته جـایگزینی بـرای چرخـه کارنو جهت تبدیل انرژی شیمیایی حاصل از سوخت به انرژی گرمایی و مکانیکی و در نهایت الکتریسیته میباشد که اتلاف انرژی را به حداقل ممکن میرساند و به بازده تئوری دست پیدا میکنیم.

پیلسوختی نوعی پیل الکتروشیمیایی است که طی یک سری واکنش الکتروشیمیایی با کاهش سـطح انـرژی گیـبس فـراورده هـا نسبت به واکنش دهنده ها انرژی الکتریکی تولید میکند.این الکتریسته تولید شده میتواند در مکانهـای متنـوعی از جملـه مصـارف خانگی، صنایع نظامی و حمل ونقل مورد استفاده قرارگیرد. به منظور طراحی هرچه دقیـقتـر و قـدم برداشـتن در جهـت طراحـی سیستم کنترل پیل های سوختی شناخت صحیح پاسخ تولیـدی الکتریسـیته در مقابـل پـارامترهـای جریـان ورودی و خروجـی از اهمیت بسزایی برخوردار است.

-۱-۱ پیلهای سوختی کربنات مذاب
این نوع پیلها در سال ۱۹۶۰ با هدف استفاده از گازهای متصاعد شده از ذغال سنگ ساخته شدند. انتظار میرود که پیلهای سوختی کربنات مذاب که امروزه توسط گازهای طبیعی یا دیگر سوختهای فسیلی تغذیه میشوند به تدریج جایگزین پیلهای سوختی اسید فسفریک گردند. هم اکنون سه شرکت بزرگ آمریکایی و نیز شرکتهای ژاپنی و اروپایی در حال توسعه و بهینهسازی فن آوری پیلهای سوختی کربنات مذاب میباشند.))http://www.suna.org.ir

۳

شکل ۱ ساختمان پیل سوختی کربنات مذاب

-۱-۱-۱ پیل سوختی کربنات مذاب چگونه کار می کند؟

الکترولیت سلول سوختی کربنات مذاب، مخلوطی از کربنات فلزات قلیایی است. که معمولا ترکیب باینری از لیتیم و پتاسیم و یا لیتیم و کربنات سدیم می باشد. این ترکیبات در یک ماتریس سرامیکی از LiALO2 محافظت می شود در دماهای عملیاتی بالا

(معمولا (۶۰۰-۷۰۰ کربنات قلیایی بایونهای کربنات ( ) تشکیل یک نمک مذاب بسیار رسانا را می دهد که این ویزگی باعث می شود انتقال یونی انجام پذیرد. این فرآیند به صورت شماتیک همراه با واکنشهای آند و کاتد در شکل۲ نشان داده شده است. باید توجه داشت بر خلاف تمام پیل های سوختی دیگر که در کاتد نیاز به تامین اکسیژن دارند در این نوع پیل از دی اکسید

کربن در کاتد استفاده می گردد که با ایجاد یون کربنات باعث انتقال یون بین کاتد و آند می شود. در آند یون کربنات به
تبدیل می شود. بنابراین انتقال خالص از کاتد به آند به طریقی انجام می شود که به ازای انتقال یک مول دو مول
الکترون جریان می یابد باید توجه داشت برخلاف پیل سوختی قلیایی که در نهایت باید از آن خارج گردد در از
بصورت مجدد در آند استفاده می گردد.)) J.Larminie and A .Dicks, 2003
بنابراین واکنش کلی Mcfc این چنین است.
(۱) ( ) ( )

۴

شکل ۲ واکنش آند و کاتد برای یک سلول سوختی کربنات مذاب که با سوخت هیدروژن کار می کند

توجه داشته باشید که محصول تولیدی در آند است و دی اکسید کربن و اکسیژن هر دو باید برای کاتد تامین شود. در سیستم Mcfc روش معمولی این است که تولید شده در آند سلول دو قسمتی خارج از کاتد مورد بازیافت قرار بگیرد و مصرف شود در نگاه اول ممکن است این یک پیچیدگی اضافه شده و یک نقطه ضعف برای این نوع سلول به نظر برسد. اما می توان با تغذیه گاز خروجی از آاند به محفظه احتراق ( مشعل) که در آن هیدروژن یا سوخت گازی مصرف نشده در آند به و آب تبدیل می شود گاز خروجی از محفظه احتراق را با هوای تازه مخلوط کرد و به عنوان تغذیه ورودی کاتد همانطور که در شکل۳ نشان داده شده استفاده کرد. این فرایند پیچیده تر از فرایند دیگر سلولهای سوختی دما بالا نیست. همچنین این فرایند برای پیش گرم کردن هوای واکنش از سوخت استفاده نشده، استفاده می کند. و حرارت اضافی را به برای استفاده در چرخه زیر با مقاصد دیگر به جریان چرخه برمی گرداند.