دانشگاه مازندران

جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

مهندسی مکانیک- ساخت وتولید

عنوان:

طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با استفاده از الگوریتم ژنتیک

استاد راهنما:

دکتر محسن شاکری

استاد مشاور:

دکتر کورش صدیقی

چکیده:

پیل هاى سوختی، دستگاه هاى الکتروشیمیایی هستند که براى تبدیل مستقیم سوخت به انرژی الکتریکی به کار می روند. یکی از مهمترین نوع پیلهای سوختی، پیل سوختی پلیمری است که کاربرد فراوانی دارد. در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد : بهینه سازی در طراحی و ساخت

بهینه سازی پارامترهای فرآیندی

دسته اول که به بهینه سازی در ساخت اشاره دارد، به مواردی همچون نوع کانال جریان، هندسه کانال، جنس اعضای تشکیل دهنده پیل و همچنین یک پیکربندی مناسب و … برمی­گردد. این پارامترها گرچه پارامترهای بسیار مهم و موثری هستند ولی به هیچ وجه در طی فرآیند قابل تغییر نیستند و در کل فرآیند ثابت اند. دسته دوم که مربوط به پارامترهای عملکردی یا پارامترهای فرآیندی است شامل پارامترهای نظیر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد، دمای کارکردی پیل سوختی، نرخ جریان ورودی در سمت آند و کاتد و …… هستند که قابلیت انعطاف داشته و در طول فرآیند می­توانند تغییر کنند. تحقیق حاضر بعلت مشکلات موجود در بهینه سازی پارامترهای هندسی، به بهینه سازی سه پارامتر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد و دمای کارکردی پیل سوختی پرداخته که در میان پارامترهای فرآیندی از اهمیت وافری برخوردار است.

در این تحقیق الگوریتم ژنتیک به عنوان یکی از قویترین ابزارهای بهینه سازی به کار گرفته شده است و از نرم افزار پیل سوختی نوشته شده در گروه پژوهشی دانشگاه که بر اساس حل تحلیلی پیل سوختی عمل می کند، جهت ایجاد منحنی پلاریزاسیون و سپس منحنی توان استفاده شده است. ماکزیموم مقدار منحنی توان میزان بهینگی پارامترها (تابع برازندگی) در نظر گرفته شده است.

در الگوریتمهای ژنتیک معمولا از روش کدگذاری در مبنای دو برای مقادیر پارامترها استفاده می شود ولی برای راحتی کار و ایجاد سرعت بیشتر، در الگوریتم به کار گرفته شده از روش کدگذاری اعداد حقیقی بهره گرفته شده است همچنین برای عدم از بین رفتن جوابهای برازنده در نسلهای میانی از الگوریتم نخبه گرا استفاده شده است. در جدول زیر مقادیر به دست آمده برای سه پارامتر فوق و همچنین مقادیر بهینه گزارش شده از مقاله سلیمان و همکارش ]1[ آورده شده است.

در این تحقیق نمودارهای ماکزیمم توان بر حسب فشارهای جزیی آند و کاتد نشان داد تغییرات فشار سمت آند نسبت به تغییر مشابه فشار در سمت کاتد، در راندمان خروجی بسیار موثرتر است و حساسیت فشار آند نسبت به فشار کاتد بسیار بیشتر است که دلیل آن اهمیت انجام واکنشها و سوخت مصرفی در سمت آند است.

مقدار به دست آمده برای دمای کارکردی پیل نشان می دهد افزایش دما تا حدی بر راندمان پیل اثر مثبت گذاشته ولی اگر دما از مقدار خاصی تجاوز کند راندمان پیل کاهش چشمگیری خواهد داشت که این اتفاق را می توان به دلیل خشک شدن بیش از اندازه غشا توجیه نمود.

فصل اول: مقدمه

1-1- پیشگفتار

دو مشکل اساسی در استفاده از سوخت‌های فسیلی که بیش از %80 تقاضای انرژی مورد مصرف را تشکیل می‌دهند وجود دارد. مشکل اول در محدودیت آنهاست به‌طوری‌که در آینده‌ای نزدیک این سوخت‌ها به پایان می‌رسند. براساس تخمینی که کمپانی‌های نفتی ارائه کرده‌اند، بین سالهای 2015 تا 2030 میزان مصرف نفت خام، گاز‌طبیعی و سوخت‌های فسیلی به بیشترین مقدار خود می‌رسند و از آن پس منابع فسیلی با کاهش چشمگیری روبرو خواهند بود.

مشکل دوم در استفاده از سوخت‌های فسیلی، مشکل زیست محیطی آنان است مانند تغییرات آب‌و‌هوایی، گرم‌شدن کلی محیط، ذوب شدن یخ‌های موجود در کره زمین، ایجاد باران‌های اسیدی، نقصان لایه ازن، خرابی مناطق کشاورزی و جنگلها بعلت استخراج بیش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشکل آلایندگی و آلودگی محیط زیست که شرایط زندگی را نابسامان خواهد کرد. پیش از سال 1970، سیستم‌های انرژی هیدروژنی برای رفع این دو مشکل اساسی پیشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسیاری در جهت بکار‌گیری این سیستم‌ها و توسعه آنان تلاش کردند.

هیدروژن یک انرژی قابل حمل با خصوصیات منحصر به فرد است. سوختی پاک با راندمان خروجی بالا، سبک و در دسترس است. یکی از خصوصیات ویژه آن، نوع کاربرد آن در فرآیند‌های الکترو‌شیمی است که می‌تواند در صورت کاربرد در پیل‌های سوختی، انرژی الکتریکی تولید کند که در مقایسه با انرژی سوخت‌های فسیلی راندمان بسیار بالاتر و مزایای ویژه‌ای دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بکارگیری این سیستم‌ها قوت چندانی گرفته است.

2-1- پیل سوختی چیست؟

پیل سـوختی تبدیل کننده انرژی الکترو‌شـیمی است که انرژی شیـمیایی را به انرژی الکتریسـیته

(جریان مستقیم برق) تبدیل می‌کند. در حالت کلی یک فرآیند تولید الکتریسیته از سوخت، شامل چندین گام تبدیل انرژی است که این گام‌ها عبارتند از:

(1) سوزاندن سوخت مورد نظر و تبدیل آن به حرارت

(2) ایجاد آب جوش و بخار آب از حرارت به وجود آمده

(3) بکار گیری بخار آب ایجادی در توربین جهت تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی

(4) بکار گیری انرژی مکانیکی در ژنراتور و تولید جریان الکتریسیته

یک پیل سوختی تمام مراحل فوق را جهت تولید جریان الکتریسیته در یک گام خلاصه می‌کند علاوه بر اینکه هیچ نیازی به قسمت‌های متحرک ندارد. (شکل 1-1) چگونگی ایجاد جریان الکتریسیته توسط پیل سوختی را در یک گام نشان می‌دهد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید