بهينه سازي و طراحي سلول هاي سوختي اكسيد جامد با استفاده از روش هاي شبيه سازي در مقياس هاي ميكروسكوپي و ماكروسكوپي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

سلول‌هاي سوختي اكسيد جامد (SOFC) به عنوان يكي از فناوري‌هاي پيشرفته در توليد انرژي پاك، به دليل راندمان بالا و قابليت استفاده از سوخت‌هاي متنوع، مورد توجه محققان قرار گرفته‌اند. با اين حال بررسي دقيق عملكرد اين سلول‌ها نيازمند درك هم‌زمان از فرآيندهاي حاكم در مقياس‌هاي ميكروسكوپي و ماكروسكوپي است. در اين پژوهش از تركيب شبيه‌سازي‌هاي كوانتومي و پيوسته با هدف تحليل جامع رفتار SOFC استفاده شد. در مقياس ميكروسكوپي، با بهره‌گيري از نظريه تابعي چگالي (DFT) پديده نفوذ اكسيژن در الكتروليت جامد زيركونيا بررسي شد. پس از اعتبارسنجي ساختار منوكلينيك، شش مسير نفوذي با سه حالت مختلف دوپينگ (در مجموع 18 پيكربندي) طراحي گرديد. نتايج نشان داد كه افزودن عنصر اسكانديوم مي‌تواند انرژي فعال‌سازي نفوذ را تا 45 درصد در ساختار منوكلينيك و در تركيب با ايتريم در ساختار مكعبي تا بيش از 50 درصد كاهش دهد. همچنين محل قرارگيري دوپ‌كننده تأثير قابل‌توجهي بر ميزان كاهش سد انرژي دارد. محاسبه انرژي تشكيل جاي‌خالي نيز نشان داد كه دوپينگ با اسكانديوم مي‌تواند اين انرژي را به‌شدت كاهش دهد و حتي در برخي سايت‌ها آن را منفي نمايد كه نشان‌دهنده پايداري بالاي نقص‌هاي ساختاري حاصل است. در ادامه به‌منظور تحليل واكنش‌هاي سطحي آند، يك مدل ميكروسينتيك شامل 9 واكنش بنيادي بر پايه سطح نيكل توسعه داده شد. شبيه‌سازي‌هاي DFT نشان دادند كه دوپينگ نيكل با پلاتين منجر به كاهش سد انرژي واكنش‌ها شده و واكنش تشكيل گونه OH (O+H→OH) به عنوان واكنش كنترل كننده سرعت فرآيند شناسايي شد. در بخش ماكروسكوپي، با استفاده از روش المان محدود در محيط نرم‌افزار COMSOL Multiphysics، يك مدل سه‌بعدي جامع از SOFC توسعه داده شد. در اين مدل متغيرهايي نظير دما، درصد تخلخل، تركيب گازهاي ورودي و افت فشار در آند و كاتد به‌صورت جامع بررسي شدند. تحليل 324 حالت مختلف نشان داد كه بيشينه توان خروجي با افزايش درصد تخلخل، اكسيژن و افت فشار افزايش يافته و با افزايش دما و درصد هيدروژن رابطه معكوس دارد. شرايط بهينه شامل دماي 800 درجه سانتي‌گراد، تخلخل 50 درصد، افت فشار آند 6 پاسكال، افت فشار كاتد 9 پاسكال، درصد وزني هيدروژن 7/0 و اكسيژن 3/0 منجر به بيشينه توان 2423 وات بر متر مربع گرديد. به‌منظور كاهش هزينه محاسباتي و توسعه يك مدل پيش‌بيني دقيق، از روش‌هاي يادگيري ماشين شامل شبكه عصبي عميق، گراديان تقويتي، رگرسيون بردار پشتيبان و رگرسيون حداقل مربعات استفاده شد. نتايج نشان دادند اين مدل‌ها قادرند به‌خوبي رابطه ميان متغيرهاي عملياتي و توان خروجي را پيش‌بيني كنند. در پايان تأثير هدايت يوني در مقياس ميكروسكوپي بر رفتار كلي سلول بررسي شد. محاسبه هدايت يوني الكتروليت ScSZ و مقايسه آن با YSZ نشان داد كه تغييرات در سطح ميكروسكوپي مي‌تواند به‌طور مستقيم بر فرآيندهاي انتقال جرم و واكنش‌هاي الكتروشيميايي در مقياس ماكروسكوپي اثرگذار باشد. اين يافته‌ها مي‌توانند در طراحي بهينه و توسعه نسل‌هاي جديد SOFC نقش مهمي ايفا كنند.

234552

شناسايي و انتخاب مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان