منصة الرسائل والاطاريح: تطوير موديل للتحليل الثرموديناميكي تحلية الوقود التي تعمل على الهيدروجين - الاوكسجين

الخلاصة

لقد تركزت البحوث مؤخرا حول خلايا وقود غشاء التبادل ألبروتوني(PEMFC's) لتشغيل الجيل القادم من سيارات الطريق، محطات التوليد بالإضافة إلى الأجهزة الصغيرة كالهواتف الخلوية وأجهزة الحاسوب النقال والمركبات الفضائية. أن خلايا الوقود هي عبارة عن أجهزة كهر وكيميائية تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية للمتفاعلات إلى كهرباء وحرارة بصورة مباشرة، بالمقارنة مع البطاريات، والتي هي بدورها أجهزة خزن للطاقة. أن خلايا الوقود تعمل باستمرار طالما يتم تزويدها بالغازات المتفاعلة. أن الماء هو الناتج الوحيدة لخلية الوقود التي تعمل بغازي الأوكسجين والهيدروجين (Hydrogen/Oxygen Fuel Cell). تختلف خلايا الوقود عن بعضها البعض حسب نوع الالكترولايت المستخدم (صلب أو سائل). وقد تركزت هذه الدراسة على خلية الوقود ذات غشاء التبادل ألبروتوني(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) . في هذا البحث، تم تطوير الموديل النظري ليتعامل مع العمليات المختلف والمتعلقة بأداء خلية الوقود ذات الغشاء التبادل ألبروتوني المنفردة ، ولدراسة العوامل التشغيلية والتصميمية المختلفة والتي تؤثر على أداء خلية الوقود. بالإضافة إلى ذالك، تم تطوير موديل الخسائر لكامل خلية الوقود والذي يأخذ بنظر الاعتبار خسائر التنشيط ، خسائر الأومية ، وخسائر الانتشار. أن فولتية الخلية تحسب باستخدام معادلة نرنست (Nernst )، أما حر كيات التفاعل فتحسب باستخدام معادلة بوتلر فولمر ( Butler Volmer Equation ). تحت نفس الظروف ولغرض المقارنة، استخدمت أربع أنواع من أغشية من نوع النافيون (Nafion) في هذه الدراسة. بالإضافة إلى ذالك، تم تحليل عمليات نقل الماء والبروتون داخل الغشاء (Nafion117) لخلية الوقود غشاء التبادل لبروتوني، وتم وصف هذه العمليات ضمن الموديل. هذا الموديل يأخذ بنظر الاعتبار الانتشار الناتج عن تدرج التركيز بين الأنود والكاثود ، الارتحال الأيوني الناتج عن التدرج الكهربائي، والحمل الناتج عن تدرج الضغط . أن هذا الموديل يحل عدديا معادلات الطاقة و التركيز باستخدام طريقة الاختلاف الواضح المحدد (a fully explicit finite difference method) مع الزمن. وجد ان افضل درجة حرارة حوالي ۰ ٨ 0ﻡ لخلية الوقود ولتي تعطي أفضل أداء. ان زيادة ضغط الأوكسجين ألجزيئي يساعد على زيادة فولتية الخلية عند مختلف التيارات بسبب زيادة الفعالية الكيميائية للمتفاعلات على سطح الأقطاب. فمثلا عند زيادة درجة حرارة بحدود ٢٠ 0ﻡ سوف يؤدي الى ربح بالفولتية بحدود ٦۷‚ ۱١% في حين ان ارتفاع ضغط الأوكسجين ألجزيئي من ۷‚۱-٥‚۳ جوي يؤدي الى ربح بحدود ۷٥‚٤ % . ان الخسائر الأومية تزداد مع زيادة سمك الغشاء نتيجة لزيادة مقاومته. بالإضافة إلى ذالك، تزداد شدة القدرة الكهربائية مع زيادة درجة الحرارة التشغيلية وبالعكس تقل الحرارة المتولدة مع زيادة درجة الحرارة بسبب نقصان الحرارة الرجوعية. الموديل الثاني، والذي يصف عملية انتقال الماء خلال الغشاء من نوع النافيون ١١٧، وجد ان تدرج الضغط الموجب( من الكاثود الى الأنود ) يسحب جزيئة الماء باتجاه الانود وبالتالي يزداد محتوى الماء الغشائي والنتيجة زيادة موصليه . بالإضافة إلى ذالك، ان زيادة التيار المسحوب يزيد من الإعاقة الكهروتنافذية ولتي بدورها سوف تقلل من محتوى الماء الغشائي وبالتالي تقليل موصليه.