فصل چهارم
نتیجه‌گیری و پیشنهادها
نتیجه گیری
در این پایان‌نامهتمامی لایه‌هایمختلف یک پیل سوختی غشاء پلیمری اعم از لایه‌های نفوذ گاز در سمت آند و کاتد، لایه کاتالیست کاتد و غشاء به صورت یک بعدی مدل سازی شده است.
در مدل‌سازی لایه کاتالیست کاتد از دو روش همگن و توده‌ای استفاده شده است، سپس با بهره گرفتن از انجام یک مطالعه پارامتری نتایج این دو روش با یکدیگرمقایسه شدند. اختلاف بین این دو روش به صورت کامل توضیح داده شد. همچنین معادلات روش توده‌ای به صورت کامل استخراج گردید. نرخ واکنش الکتروشیمیایی روش توده‌ای در یک حالت حدی (Term II→۰) با نرخ واکنش الکتروشیمیایی روش همگن برابر می‌باشد. در حقیقت وجود Term II در مدل توده‌ای، دلیلی بر افت غلظت ایجاد شده در منحنی قطبیت این مدل می‌باشد.
از آنجایی که لایه­ های نفوذ گاز در سمت آند و کاتد با یک مخلوط گازی (هوای مرطوب برای کاتد و هیدروژن مرطوب ناشی از ریفرم گاز طبیعی برای آند) تغذیه می‌شوند لذا برای مدل سازی آن‌هااز معادله استفان- ماکسول (نفوذ چند جزئی) استفاده شد. تمامی مکانیزم‌های انتقال آب درون غشاء نیز شبیه‌سازی گردیدو سهم هر یک از مکانیزم‌های انتقال آب درون غشاء مشخص شد. نهایتاً یک مطالعه پارامتری برروی برخی از پارامترهای ساختاری (ضخامت غشاء)و عملکردی (دما) و چگالی جریانپیل به منظوربررسی برخی از خواص غشاء نظیر قابلیت هدایت و همچنین بررسی عملکرد پیل انجام شد.

نکات زیرخلاصه‌ای از نتایج شبیه‌سازیلایه‌های مختلف پیل می‌باشد.
خلاصه ای از نتایج مدل‌سازی:
مدل توده‌ای بر خلاف مدل همگن افت غلظت را در چگالیجریان‌های بالا به خوبی پیش‌بینی می‌کند. بنابراین مدل توده‌ای به مراتب به واقعیت (نتایج تجربی)نزدیک‌تر است.
اندازه ذرات توده‌ای در لایه کاتالیست مؤثرترین پارامتر بر کارایی پیل می‌باشد. در گستره اندازه ذرات مطالعه شده، مشخص شد که کارایی پیل تا kW m^-2 ۰.۳۵ افزایش می‌یابد. به طور کلی هرچه اندازه ذرات توده‌ایکوچک‌تر باشد کارایی پیل بهبود می‌یابد، سیکنل^[۱۰۱] و همکارانش [۲۱] نیز به این نتیجه رسیدند.
فشار به عنوان یکی از پارامترهای عملکردی پیل، در گستره atm 4 تا atm 6 کارایی پیل را تا kW m^-2 ۰.۳ افزایش می‌دهد. این موضوع فشار را در رتبه دوم پارامترهای تاثیر گذار بر کارایی پیل قرار می‌دهد.
در بین پارامترهای مورد بررسی دما رتبه سوم را در افزایش کارایی پیل دارد. در گستره مورد مطالعه، T∈ [۵۰, ۸۰ ^oC]، مقدار بهینه دما سبب افزایش kW m^-2 ۰.۲۷ در کارایی پیل می‌شود.
مدل همگن به تغییرات پارامترهای عملکردی نظیر فشار و دما حساس نیست. این در حالی است که مدل توده‌ای به این تغییرات حساس است، به طوریکه گاهی اوقات عملکرد آن تا kW m^-2 ۰.۳ افزایش می‌یابد.
کسر حجمی آیونومر درون هر توده، L_i,agg، در بین پارامترهای مورد مطالعه کمترین تأثیر را بر عملکرد پیل سوختی دارد. افزایش آن در بازه ۰.۴ تا ۰.۶ موجب بهبود عملکرد تا kW m^-2 ۰.۰۵می‌شود. البته با بهره گرفتن از این پارامتر می‌توان چگالی جریان محدود کننده پیل را کنترل نمود، به بیان دیگر اثر این پارامتر در منحنی قطبیت پیل منحصر به چگالی جریان‌های بالا می‌باشد.
یکی از پارامتر های بسیار تأثیر گذار بر خصوصیات غشاء، دما می‌باشد. افزایش دما از طرفی با افزایش نرخ واکنش الکتروشیمیایی در لایه کاتالیست باعث افزایش کارایی پیل می‌شود، و از طرف دیگر سبب خشک‌شدگی غشاء و کاهش شدید قابلیت هدایت آن می‌گردد. اثر این کاهش قابلیت هدایت در سمت آند که دارای رطوبت کمتری نسبت به کاتد است شدیدتر بوده به نحوی که با افزایش دما از ^oC60 تا ^oC80، قابلیت هدایت غشاء در سمت آند S cm^-1 ۰.۱۵ کاهش می‌یابد.قابلیت هدایت غشاء شدیداً تحت تأثیر رطوبت غشاء می‌باشد.
پروفیل آب درون غشاء، l، تحت تأثیر چگالی جریان پیل می‌باشد. به طوریکه در چگالی جریان‌های بالا از میزان آب درون غشاء کاسته شده است. این امر سبب می‌شود که مقاومت پروتونیک غشاء در چگالی جریان بالا افزایش یابد. با افزایش مقاومت غشاء ولتاژ عملکرد پیل کاهش می‌یابد.
مقاومت پروتونیک غشاء با ضخامت غشاء رابطه مستقیم دارد. لذا با افزایش ضخامت غشاء کارایی پیل افت می‌کند.
پیشنهادها
در این قسمت پیشنهادهایی به منظور بهبود مدل‌سازی پیل سوختی ارائه می‌شود:
توده‌های موجود در لایه کاتالیست به صورت کروی با اندازه‌های یکسان در نظر گرفته شده‌اند. در حالی که در واقعیت این چنین نیست. لذا می‌توانمدل‌سازی را به نحوی گسترش داد که لایه کاتالیست از ذراتی با شعاع‌های مختلف تشکیل شده باشد.
در پیل­های سوختی غشاء پلیمری مخصوصاً در دماهای بالا، آب تولیدی در لایه کاتالیست تماماً به صورت مایع نیست و بخشی از آن بخار است. لذا می‌توان برای اینکه مدل به واقعیت نزدیک‌تر شود، فرض نمود که بخشی از حفره‌های بین توده‌ها با آب مایع و بخش دیگر با بخار آب پر شده باشد. در این حالت چون نفوذ اکسیژن به مراتب در بخار آب راحت‌تر از آب مایع است، انتظار می‌رود که کارایی پیل افزایش یابد.
می‌توان این مدل‌سازی را به صورت چند بعدی انجام داد و نتایج را با مدل تک بعدی مقایسه کرد. اثرات چند بعدی بودنمدل‌سازیمی‌تواند بر نتایج تأثیرگذار باشد.
مدل‌سازی غشاء را می‌توان در حالتی که فشار سمت آند و کاتد یکسان نیست انجام داد. در این صورت مکانیزم نفوذ هیدرولیکی آب در غشاء نیز وجود دارد. در این حالت می‌توان با تنظیم گرادیان فشار موجود در دو طرف غشاء جهت و مقدار شار خالص آب را کنترل نمود.
نهایتاً انجام یک عملیات بهینه‌سازی بر روی مدل‌های ارائه شده در این پایان‌نامه به منظور دست­یابی به کارایی بالاتر پیل ضروری به نظر می‌رسد.
مراجع