مدلسازي تخريب مكانيكي غشاهاي هيدروكربني تبادل پروتون براي كاربرد در پيل‌هاي سوختي

كارشناسي ارشد

با توجه به قيمت بالاي غشاهاي پرفلويورينه، غشاهاي هيدروكربني مانند پلي اتر اتر كتون سولفونه شده يا پلي سولفون سولفونه شده براي استفاده در پيل‌هاي سوختي غشاء الكتروليت پليمري بسيار موردتوجه پژوهشگران قرارگرفته‌اند. بنابراين بررسي عملكرد و دوام شيميايي و مكانيكي آن‌ها از اهميت خاصي براي تجاري‌شدن آن‌ها برخوردار است. تخريب مكانيكي مي‌تواند به‌ صورت ناگهاني سبب ايجاد شكاف يا سوراخ در غشاء شده و كاركرد مجموعه پيل سوختي را مختل كند. عواملي همچون پرس نامناسب مجموعه الكترود-غشا، ضربه‌هاي احتمالي به مجموعه و نوسانات دمايي و رطوبتي مي‌توانند طول عمر مجموعه الكترود-غشاء را تحت تاثير قرار دهد. در اين كار مدلسازي، يك نيم-سل به صورت سه‌بعدي شامل كانال عبور جريان گازهاي واكنشي و صفحات دوقطبي، لايه هاي نفوذ گازي، لايه‌هاي ميكرومتخلخل و غشا مدل گرديده‌است. اين مدل سه‌بعدي به روش اجزا محدود و توسط نرم‌افزار COMSOL Multiphysics 5.5 مورد تحليل قرار گرفت. در اين مدلسازي مكان‌هاي آسيب‌پذير غشا دراثر ايجاد تنش و كرنش در آن تحت رطوبت‌هاي ورودي مختلف به مجموعه، دماهاي عملياتي مختلف سامانه و نيروهاي فشاري ايجاد شده بر غشاء محصور در مجموعه‌ي الكترود-غشاء، مورد بررسي قرارگرفت. نتايج مدلسازي نشان مي‌دهد كه تاثير نيروي فشاري از دو عامل ديگر بيشتر است. به طوري كه با افزايش نيروي فشاري از 1MPa به 3MPa، مقدار تنش فون‌ميزس بيشينه از 30/7MPa به 32/1MPaدر هندسه‌ي مدل افزايش يافت. همچنين نتايج مدلسازي نشان مي‌دهد كه در نواحي ورودي و خروجي غشا، سطح غشا به خصوص در زير صفحات دوقطبي و ناحيه‌ي حدواسط كانال و Land تمركز تنش بيشتري وجود دارد. با بررسي تغييرات كرنش در سطح غشا مشخص گرديد كه كرنش در نواحي زير صفحات دوقطبي از نوع فشاري و در ناحيه‌ي كانال از نوع كششي مي‌باشد. بيشترين ميزان كرنش در مقطع ورودي و خروجي پيل‌سوختي و در گوشه‌هاي غشاء وجود دارد. افزايش نيروي فشاري يكنواخت و رطوبت بالاي گازهاي ورودي(80 درصد و بالاتر) موجب افزايش بيشتر كرنش‌هاي بيشينه‌ي فشاري و كششي در نواحي مختلف غشاء مي‌گردد. با افزايش نيروي فشاري از 1MPa به 3MPa در دما و رطوبت ورودي ثابت، ميزان كرنش فشاري بيشينه در ناحيه‌ي Land بر سطح غشاء از 19 درصد به 28 درصد افزايش مي‌يابد. همچنين افزايش رطوبت گازهاي ورودي از 30 درصد به 80 درصد در دما و نيروي فشاري ثابت نيز موجب افزايش كرنش كششي بيشينه از 14 درصد به 40 درصد در ناحيه‌ي كانال در سطح غشاء مي‌شود.

195764

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي شيمي گرايش فرآيندهاي جداسازي

سوسن روشن ضمير