3-2 پيدايش الگوريتم ژنتيک27
3-3 الگوريتم ژنتيک28
3-3-1 عملگرهاي اصلي GA29
3-3-1-1 روشهاي کدگذاري29
3-3-1-2 جمعيت اوليه31
3-3-1-3 تابع برازندگي32
3-3-1-4 انتخاب32

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

3-3-1-4-1 انتخاب چرخ گردان (RWS)33
3-3-1-4-2 انتخاب رقابتي34
3-3-1-5 ادغام35
3-3-1-6 جهش37
3-3-1-6-1 احتمال جهش ))38
3-3-1-7 ساير عملگرهاي ژنتيکي38
3-3-2 الگوريتم ژنتيک با نخبه سالاري ساده38
3-3-3 روشهاي جايگزيني39
3-3-4 معيار همگرايي40
3-3-5 معيار عملکرد41
3-3-6 تفاوت GA با روشهاي مرسوم بهينه‌سازي ]21[41
3-3-7 نقاط قوت GA42
3-3-8 نقاط ضعف GA42
3-3-9 در چه مواقعي از GA استفاده ميشود43
3-3-10 کاربردهاي GA43
3-4 بهينه سازي پارامتر هاي فرآيندي پيل سوختي با استفاده از الگوريتم ژنتيک44
3-4-1 استفاده از حل تحليلي در الگوريتم ژنتيک حاضر44
3-4-1-1 استفاده از آزمايشات عملي45
3-4-1-2 استفاده از حلCFD46
3-4-1-3 استفاده از حل تحليلي46
3-4-2 تعريف تابع برازندگي47
3-4-3 برنامه نويسي در محيط Manuscript File نرم افزار MATLAB48
3-4-4 استفاده از الگوريتم ژنتيک نخبه گرا48
3-4-4-1 کدگذاري مقادير پارامترها48
3-4-4-2 انتخاب تعداد جمعيت اوليه و تعداد نسل ها49
3-4-4-3 اعمال اپراتور پيوند و جهش در الگوريتم ژنتيک حاضر50
3-4-5 استفاده از Lookup Table در محيط MATLAB Simulink50
3-4-6 دليل انتخاب 3 پارامتر حاضر جهت بهينه‌سازي52
فصل چهارم:53
4-1 مدلسازي پيل سوختي پليمري با استفاده از حل تحليلي54
4-1-1 مدلسازي کانال54
4-1-2 مدلسازي MEA55
4-1-3 متدولوژي حل معادلات57
4-2 معتبر سازي مدلسازي با آزمايشات عملي57
4-3 پارامترهاي ثابت مدلسازي61
فصل پنجم:62
5-1 مقادير برازندگي هاي به دست آمده از حل تحليلي63
5-2 اجراي الگوريتم ژنتيک لينک شده با MATLAB Simulink63
5-3 تاثير دما بر عملکرد پيل سوختي65
5-4 تاثير فشار بر عملکرد پيل سوختي66
5-5 اهميت فشار آند نسبت به فشار کاتد67
5-6 نمودارهاي سه بعدي دما-فشار70
فصل ششم:72
6-1 نتيجه گيري73
6-2 پيشنهادات74
فهرست مراجع75
پيوست الف78
برنامه MATLAB لينک شده با MATLAB SIMULINK78
پيوست ب84
جداول SIMULINK و منحني هاي دو بعدي و سه بعدي بيشينه توان84
فهرست اشکال
فهرست اشکال11
شكل (1-1) ايجاد جريان الكترسيته مستقيم از پيل سوختي در يك مرحله ]2[3
شكل (2-1) روند توسعه پيل سوختي] 2[12
شكل (2-2) پيل‌هاي سوختي در آپولو ] 2 [13
شكل (2-3) خودرويي با سوخت هيدروژني ]2[14
شكل (2-4) انتشارات ثبت شده سالانه در جامعه جهاني ] 2 [15
شكل (2-5) انواع پيل سوختي همراه با نوع واكنش و دماي كاركرد آنان ]2[18
شكل (2-6) اساس عملكرد پيل سوختي پليمري ]2[19
شكل (2-7) مجموعه‌اي از كاربردهاي مختلف پيل‌هاي سوختي ]2[23
شكل (3-1) طبقه‌بندي كلي روش‌هاي بهينه‌سازي] 19[27
شكل(3-2 ) نمودار گردشي الگوريتم ژنتيک30
شكل (3-3) انتخاب چرخ‌‌گردان34
(شکل 3-4) پيوند يک نقطه‌اي36
شکل (3-5) الگوريتم ژنتيک با بکارگيري مفهوم نخبه‌سالاري40
شكل (3-6) تعيين مقدار ماکزيموم بعنوان تابع برازندگي47
شکل (3-7) نمودارالگوريتم ژنتيک بکار گرفته شده در تحقيق حاضر49
شکل (3-8) بلوک دياگرام مورد استفاده درفشار جزيي آند 5 بار52
شکل (4-1) روند حل معادلات پيل سوختي57
شکل (4-2) پيل سوختي و دستگاه تست پژوهشگاه دانشگاه58
شکل (4-3) مقايسه نتايج مدلسازي و آزمايشات عملي در دماي ثابت oC60 و فشار متغير59
شکل (4-4) مقايسه نتايج مدلسازي و آزمايشات عملي در فشار ثابت 1 بار و دماي متغير60
شکل (5-1) سرعت همگرايي الگوريتم ژنتيک لينک شده باMATLAB Simulink ُُُ64
شکل(5-2) ماکزيمم توان به ازاي مقادير مختلف فشار آند و کاتد. دماي کارکردي پيل ثابت و برابر دماي بهينه oC7567
شکل (5-3) ماکزيمم توان پيل سوختي در فشارهاي مختلف سمت کاتد. فشار آند و دماي کارکردي پيل سوختي ثابت و برابرمقادير بهينه68
شکل (5-4) منحني هاي پلاريزاسيون پيل سوختي در فشارهاي مختلف سمت کاتد. فشار آند و دماي کارکردي پيل سوختي ثابت و برابر مقادير بهينه68
شکل (5-5) ماکزيمم توان پيل سوختي در فشارهاي مختلف سمت آند. فشار کاتد و دماي کارکردي پيل سوختي ثابت و برابر مقادير بهينه69
شکل (5-6) منحني هاي پلاريزاسيون پيل سوختي در فشارهاي مختلف سمت آند. فشارکاتد و دماي کارکردي پيل سوختي ثابت و برابر مقادير بهينه70
شکل (5-7) ماکزيمم توان به ازاي دما و فشارهاي مختلف آند. فشار کاتد ثابت و برابر فشار بهينه کاتد71
شکل (5-8) ماکزيمم توان به ازاي دما و فشارهاي مختلف کاتد. فشار آند ثابت و برابر فشار بهينه آند71
شکل (ب-1) بيشينه توان بر حسب دماي سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5 بار95
شکل (ب-2) بيشينه توان بر حسب دماي سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار96
شکل (ب-3) بيشينه توان بر حسب دماي سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 4 بار97
شکل (ب-4) بيشينه توان بر حسب دماي سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار98
شکل (ب-5) بيشينه توان بر حسب دماي سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 3 بار99
شکل (ب-6) بيشينه توان بر حسب دماي سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار100
شکل (ب-7) بيشينه توان بر حسب دماي سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 2 بار101
فهرست جداول
جدول (3-1) دامنه مقادير در نظر گرفته شده براي پارامترها49
جدول (3-2) مقادير پارامترهاي الگوريتم ژنتيک50
جدول (4-1) مشخصات MEA مورد استفاده58
جدول (4-2) مقادير پارامترهاي هندسي و نرخ جريان ورودي در دو طرف60
جدول (4-3) مقادير پارامترهاي مدلسازي پيل سوختي پليمري61
جدول (5-1) مقادير بهينه به دست آمده از الگوريتم ژنتيک براي پارامتر هاي فرآيندي64
جدول (5-2) مقايسه مقادير بهينه بدست آمده با آزمايشات عملي سليمان و همکارش ]1[65
جدول (ب-1) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5 بار85
جدول (ب-2) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار86
جدول (ب-3) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 4 بار87

جدول (ب-4) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار88
جدول (ب-5) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 3 بار89
جدول (ب-6) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار90
جدول (ب-7) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 2 بار91
جدول (ب-8) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/1 بار92
جدول (ب-9) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 1 بار93
جدول (ب-10) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/0 بار94

ليست علائم و اختصارات
سطح (cm2)
غلضت مولي (mol cm-3)
ضريب نفوذ (cm2 s-1)
پتانسيل الکتريکي (V)
ثابت فارادي (96,487 C mol-1)
ارتفاع کانال (cm)
چگالي جريان (A cm-2)
چگالي جريان (A cm-2)
چگالي جريان مرجع (A cm-2)
قابليت نفوذ
وزن مولکولي (kg mol-1)
نرخ جريان مولي (kg cm-2 s-1)
فشار (Pa)
ثابت جهاني گازها (8.314 J mol-1 K-1)
نرخ مصرف (mol s-1cm-2)
دما (K)
سرعت سيال در کانال (cm s-1)
سرعت در راستاي عمود بر صفحه غشا (cm s-1)
ولتاژ سلول (V)
مختصات راستاي کانال (cm)، کسر مولي
مختصات عمود بر صفحه غشا (cm)
ضريب خالص انتقال آب، ضريب انتقال بار
ويسکوزيته گاز (kg m-1s-1)
پتانسيل اتلافي (v)
چگالي (kg m-3)
ويسکوزيته سينماتيکي (cm2 s-1)
بالا نويس
شمارنده
مقدار مرجع
مقدار موثر
زير نويس
کانال
مقدار موثر
سمت آند
سمت کاتد
هيدروژن
آب
اکسيژن
فعال
حالت پايه
کاهش اهمي
کلي
پخش آند
پخش کاتد
اختصارات
GAالگوريتم ژنتيک
MEAمجموعه غشا
CFDديناميک سيالات محاسباتي
فصل اول:
مقدمه
1-1 پيش‌ گفتار
دو مشكل اساسي در استفاده از سوخت‌هاي فسيلي كه بيش از %80 تقاضاي انرژي مورد مصرف را تشكيل مي‌دهند وجود دارد. مشكل اول در محدوديت آنهاست به‌طوري‌كه در آينده‌اي نزديك اين سوخت‌ها به پايان مي‌رسند. براساس تخميني كه كمپاني‌هاي نفتي ارائه كرده‌اند، بين سالهاي 2015 تا 2030 ميزان مصرف نفت خام، گاز‌طبيعي و سوخت‌هاي فسيلي به بيشترين مقدار خود مي‌رسند و از آن پس منابع فسيلي با كاهش چشمگيري روبرو خواهند بود.
مشكل دوم در استفاده از سوخت‌هاي فسيلي، مشكل زيست محيطي آنان است مانند تغييرات آب‌و‌هوايي، گرم‌شدن كلي محيط، ذوب شدن يخ‌هاي موجود در كره زمين، ايجاد باران‌هاي اسيدي، نقصان لايه ازن، خرابي مناطق كشاورزي و جنگلها بعلت استخراج بيش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشكل آلايندگي و آلودگي محيط زيست كه شرايط زندگي را نابسامان خواهد كرد. پيش از سال 1970، سيستم‌هاي انرژي هيدروژني براي رفع اين دو مشكل اساسي پيشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسياري در جهت بكار‌گيري اين سيستم‌ها و توسعه آنان تلاش كردند.
هيدروژن يك انرژي قابل حمل با خصوصيات منحصر به فرد است. سوختي پاك با راندمان خروجي بالا، سبك و در دسترس است. يكي از خصوصيات ويژه آن، نوع كاربرد آن در فرآيند‌هاي الكترو‌شيمي است كه مي‌تواند در صورت كاربرد در پيل‌هاي سوختي، انرژي الكتريكي توليد كند كه در مقايسه با انرژي سوخت‌هاي فسيلي راندمان بسيار بالاتر و مزاياي ويژه‌اي دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بكارگيري اين سيستم‌ها قوت چنداني گرفته است.
1-2 پيل سوختي چيست‌ ؟
پيل سـوختي تبديل كننده انرژي الكترو‌شـيمي است كه انرژي شيـميايي را به انرژي الكتريسـيته
(جريان مستقيم برق) تبديل مي‌كند. در حالت كلي يك فرآيند توليد الكتريسيته از سوخت، شامل چندين گام تبديل انرژي است كه اين گام‌ها عبارتند از:
(1) سوزاندن سوخت مورد نظر و تبديل آن به حرارت
(2) ايجاد آب جوش و بخار آب از حرارت به وجود آمده
(3) بكار گيري بخار آب ايجادي در توربين جهت تبديل انرژي گرمايي به انرژي مكانيكي
(4) بكار گيري انرژي مكانيكي در ژنراتور و توليد جريان الكتريسيته
يك پيل سوختي تمام مراحل فوق را جهت توليد جريان الكتريسيته در يك گام خلاصه مي‌كند علاوه بر اينكه هيچ نيازي به قسمت‌هاي متحرك ندارد. (شكل 1-1) چگونگي ايجاد جريان الكتريسيته توسط پيل سوختي را در يك گام نشان مي‌دهد.
شكل (1-1) ايجاد جريان الكترسيته مستقيم از پيل سوختي در يك مرحله ]2[
يك پيل سوختي از برخي جنبه‌ها شبيه به يك باتري است چون شامل الكتروليت و قطب‌هاي مثبت و منفي است و از واكنشهاي الكتروشيمي، جريان الكتريسيته DC توليد مي‌كند ولي برخلاف يك باتري نيازمند سوخت و اكسيژن مداوم است، همچنين الكترودهاي پيل سوختي برخلاف يك باتري دستخوش تغييرات شيميايي قرار نمي‌گيرند.
باتري‌ها به واسطه واكنشهاي شيميايي و با استفاده از موادي كه از قبل درون آن‌ها قرار گرفته است، جريان الكتريسيته توليد مي‌كنند و به همين دليل يك باتري در صورت مصرف مواد داخل آن تخليه مي شود كه در اين صورت نيازمند شارژ مجدد است البته مشروط به اينكه قابليت شارژ مجدد را داشته باشد ولي يك پيل سوختي مادامي كه اكسيژن و سوخت به آن تزريق شود، امكان تخليه ندارد و مي‌تواند در دراز مدت كار كند. اكسيژن و هيدروژن كه از مواد مورد نياز پيل سوختي است به وفور در دسترس است و هم به صورت خاص و هم به صورت تركيبي يافت مي‌شود، مثلاٌ هيدروژن ممكن است در تركيب با گازهايي همچون ، ، Co و … موجود باشد و يا در هيدروكربنات‌هايي مثل گاز طبيعي يا حتي هيدروكربنات مايع مثل متانول وجود داشته باشد، همچنين هواي محيط هم به اندازه كافي حاوي اكسيژن مورد نياز پيل سوختي مي‌باشد. از سوي مقابل باتري هم مزيت‌هايي نسبت به پيل سوختي دارد كه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
– عدم اتلاف حرارت و آب توسط باتري ]حرارت ايجادي در باتري بسيار كمتر از پيل سوختي است[
– عدم نياز به مديريت سيستم در باتري
– عدم نياز به تجهيزات زياد و هزينه‌هاي جانبي سنگين
1-3 بهينه سازي پارامترهاي پيل سوختي پليمري
در حالت کلي دو نوع بهينه سازي در پيل سوختي پليمري ميتوان انجام داد :
بهينه سازي پارامترهاي فرآيندي يا پارامتر هاي عملکردي
بهينه سازي در طراحي و ساخت پيل
1-3-1 بهينه سازي پارامترهاي فرآيندي
بهينه سازي در پارامترهاي متغير شامل پارامترهايي از قبيل دما ، فشار کارکرد ، نسبت مصرف سوخت در کاتد به آند ، دماي مرطوبيت ، غلظت يا مولاريته سوخت ، سينتيک واکنش و ….. که از ميان اين پارامتـرها تعدادي قابل کنترل و تعدادي غير قابل کنترل اند و يا به عبارت صحيح تر کنترل برخي از پارامــــــترها هزينه زيادي در بر داشته طوري که از کنترل آنان صرف نظر شده و به مهار کردن پارامترهاي در دســترستر پرداخته شده است. در مقالات معمولا به بررسي چهار پارامتر از تمامي پارامترهاي ممکن پرداخته شــده است که اين چهار پارامتر عبارتند از :
دماي کارکرد پيل سوختي که معمولا بين 60 تا 80 درجه سانتي گراد متغيراست
درصد رطوبت پيل سوختي
ميزان مصرف اکسيژن در کاتد به مصرف هيدروژن در آند
فشار سيستم در سمت آند
فشار سيستم در سمت کاتد
1-3-2 بهينه سازي در طراحي و ساخت پيل
پيل سوختي از قسمتهاي مختلفي تشکيل شده است که در هر قسمت مي توان بررسي هايي در جهت افزايش راندمان صورت داد که از آن جمله مي توان به موارد زير اشاره کرد :
* نوع کانال جريان آند (مارپيچ ، موازي ، سري ، موازي بلند ، شبکه اي و موازي مارپيچ)
* لايه پخش گازي آند (جنس ، ميزان فشردگي)
* مواد و ضخامت لايه کاتاليست آند و کاتد
* لايه پخش گازي کاتد (جنس ، ميزان فشردگي)
* سايز ابعادي کانالها در هر دو قسمت آند و کاتد (طول ، عرض و عمق کانال)
* فاصله بين دو کانال در صفحات الکترود (يا بررسي شعاع گذر)
* مواد و ضخامت غشاي تبادل يوني
* نوع کانال جريان کاتد (مارپيچ ، موازي ، سري ، موازي بلند ، شبکه اي و موازي مارپيچ(
* و ………….
استفاده از مواد جايگزين و کار آمدتر موضوعي است که بسياري از محققان در بررسي آن مي کوشند . در حالت کلي استفاده از ابعاد مناسب ، استفاده از ماده مناسب و يک پيکر بندي صحيح براي پيل از جمله مـواردي است که در اين قسمت قابل بررسي است.
پژوهشهاي بســياري در زمـينه يافتن ابعاد مناسب براي کانالهاي تعبيه شده در صفحات الکتـرود موجود اسـت که به روشهاي مختلفي همچون تحليلي ، تجربي ، شبيه سازي که در قالب ديناميک سيالات مورد مطالـعه قرار ميگرد و ترکيب تحليلي و تجربي به تحقيق پرداخته و هر کدام ابعادي مناسب پيشنهاد مي کنند که بيــشترين راندمان در قدرت خروجي را دارا مي باشند.
1-4 پژوهشهاي انجام شده در مورد بهينه سازي پارامترهاي فرآيندي پيل سوختي پليمري
سليمان1 و همکارش ]1[ در سال 2007 از روش تاگوچي که در سال 1980 توسط خود تاگوچي معرفي شد ، براي بهينه سازي پارامترهاي فرآيندي استفاده کردند . استفاده از اين روش تعداد آزمايشـات مورد نياز را به طرز چشـم گيري کاهش داده و اين سبب کاهش هزينه ها وکوتاهتر شدن زمان آزمايش مي گردد . در روش تاگـوچي دو دسته پارامـتر موجود است ، پارامترهاي قابل کنترل و پارامترهاي غـير قـابـل کنترل کـه اصطلاحا به آنان پارامترهاي نويز گفته ميشود . آن دسته از پارامترهايي که کنترل آنان بسيار سخت و هزينه بر است نيز جزو پارامترهاي غير قابل کنترل يا نويز به حساب مي آيد. سليمان و همکارش ]1[ در اين آزمايشات پارامـترهاي دماي کارکرد پيـل ، دماي رطوبت ، فشار کارکرد پيـل سوختي و نسـبت مصـرف سوخت در کاتد به آند را پارامترهاي قابل کنترل در نظر گرفت و مقاديري را بعنوان مقادير بهينه ارائه نمود و ادعا کرد که پيل سوختي در صورت عملکرد اين مقادير بيشترين راندمان خروجي را دارند.
بتي2 و همكارانش ]3[ وابستگي فشار و دما را در سطح مشترك كاتاليست و غشا مورد بررسي قرار دادند. كاپادونيا3 و همكارانش ]4[ وابستگي غشاي نفيون 117 را بعنوان تابعي از دما و مرطوبيت بررسي كردند. سريد‌هار4 و همكارانش ]5[ اثر رطوبت بر چگونگي عملكرد پيل سوختي پليمري را تحقيق كردند و براي تحقيقات خود از يك سري آزمايشات مربوطه بهره گرفتند.
ونگ5 و همكارانش ]6[ اثرات پارامترهاي عملكردي همچون دما و … را بر راندمان پيل‌هاي سوختي تحقيق كردند و بصورت عملي و آزمايشگاهي تأثير اين پارامترها را در حالت‌هاي مختلف نشان دادند. ونگ از هيدروژن خالص براي سوخت در طرف آند و از هواي معمولي در طرف كاتد استفاده كرد.
هيون6 و همكارانش ]7[ با توجه به آزمايشات عملي به تحقيق در مورد اثرات مرطوبيت بيروني بر عملكرد پيل سوختي پرداختند.
هوانگ7 و همكارانش ]8[ به بررسي ميزان تغييرات راندمان خروجي در ازاي تغييرات پارامترهاي عملكردي پرداختند و نتيجه آزمايشات خويش را ارائه كردند.
فرنگ8 و همكارانش ]9[ علاوه بر انجام آزمايشات عملي يك مدل تحليلي ارائه كردند و با توجه به مدل تحليل و آزمايشات عملي به بررسي ميزان اثرات پارامترهاي عملكردي و همچنين مشخصات جريان در كانال جريان گازي و لايه پخش‌كننده گاز پرداختند.
سانتارلي9 و همكارانش ]10[ بر روي ميزان مرطوبيت پيل سوختي در حالت اشباع و بدون مرطوبيت و همچنين ميزان فشارهاي واكنشگرها بصورت آزمايشگاهي تحقيق كرده و در نهايت نتايج خود را بعنوان مقادير مناسب براي پارامترهاي پيل سوختي درنظر گرفته و نتايج خويش را ارائه نمودند.
تيسيالني10 و همكارانش ]11[ يك سري آزمايشات در جهت افزايش راندمان پيل سوختي انجام دادند و در مقاديري خاص تاثير اين پارامترها را بر عملکرد پيل سوختي مورد مطالعه قرار دادند.
وهدامه11 و همكارانش ]12[ با استفاده از يك سري آزمايشات تجربي به مطالعه اثرات فشار گاز و نرخ جريان گازي در يك پيل سوختي w500 پرداختند.
لي12 و همكارانش ]13[ با ارايه يك مدل همدما و پايدار از پيل سوختي پليمري به بررسي واكنش‌هاي پيل و شرايط بهينه عملكردي پارامترها پرداختند.
جردان13 و همكارانش ]14[ اثر پارامترهاي لايه پخش گازي را بر عملكرد پيل سوختي مورد مطالعه قرار دادند. موتو پالي14 و همكارانش ]15[ اثرات نفوذ آب بر غشايي از جنس نفيون 115 را مورد مطالعه قرار دادند. چندين تحقيق ]18-16[ با استفاده از مدل‌هاي شبيه‌سازي شده از پيل سوختي پليمري، به بررسي عملكرد سمت كاتد و عملكرد كاتاليست بعنوان تسريع بخش واكنش‌ها و همچنين مديريت آب و حرارت در پيل سوختي پرداختند.
1-5 بهينه سازي پارامترهاي فرآيندي پيل سوختي پليمري
از بين پارامترهاي فرآيندي كه پيش از اين به آن پرداخته شد، چندين پارامتر از اهميت ويژه‌اي برخوردارند و در ميزان راندمان خروجي و چگونگي عملكرد پيل سوختي مؤثرند كه مي‌توان به موارد زير اشاره نمود:
دماي كاركردي پيل سوختي
فشار سمت آند
فشار سمت كاتد
بيش از %90 پژوهشهاي انجام شده در اين زمينه فقط بصورت عملي و آزمايشگاهي بوده است. انجام آزمايشات متعدد براي يافتن مقادير بهينه براي پارامترهاي فوق بسيار مفيد است ولي به دليل هزينه بسيار بالا و همچنين زمان بر بودن آزمايشات، پژوهشگران به ناچار در تعداد مقادير مشخص از پارامتر ها تست ها را انجام داده و بر اساس مقايسه نتايج ، مقاديري را به عنوان مقادير بهينه گزارش مي کنند. گرچه مقادير آزمايش شده صحت بالاتري نسبت به مقادير تحليلي و … دارند ولي به اين دليل که تمامي دامنه مقادير يا به عبارت ديگر تمامي فضاي جستجو جهت ايجاد بالاترين راندمان مورد آزمايش قرار نگرفته نمي توان به قطعيت بر اساس تعداد آزمايش محدود مقادير بهينه را ارائه کرد. سليمان و همکارش ]1[ تا حدي اين مشکل را حل کردند و از روش تاگوچي براي بهينه سازي پارامترهاي فرآيندي بهره گرفتند که در واقع ترکيبي از روشهاي آزمايشگاهي و روشهاي بهينه سازي بود و در مقايسه با پژوهشهاي پيشين که همگي صرفا بر اساس تعدادي آزمايش محدود به بهينه سازي پارامتر هاي عملکردي مي پرداختند، مزيت عمده اي داشت و قدرت جستجوي آن بسيار بالاتر از روشهاي صرفا آزمايشگاهي بود ولي باز هم روش ترکيبي فوق به دليل ضعف روش تاگوچي در جستجوي تمام فضاي طراحي خيلي کامل به نظر نمي آمد. اما در پژوهش حاضر در ابتکاري جالب از يک الگوريتم بهينه سازي بنام الگوريتم ژنتيک که تقريبا همه فضاي جستجو را در جهت تعيين مقادير بهينه مورد بررسي قرار مي دهد، استفاده شده است. روش‌هاي متفاوتي براي بهينه‌سازي موجود است كه الگوريتم ژنتيك را مي‌توان در زمره بهترين‌ها قرار داد. در فصل سوم به تفصيل الگوريتم ژنتيک و چگونگي کاربرد آن در تحقيق حاضر و همچنين مقادير به کار گرفته شده براي عملگرهاي اصلي ژنتيک تشريح شده است. براي بررسي تمامي فضاي جستجو ، تعداد حالات ممکن قابل بررسي با توجه به تعداد سه پارامتر، بسيار زياد است به طوريکه انجام تمامي حالات ممکن با آزمايشات عملي اصلا ممکن نيست لذا از يک نرم افزار مدلسازي که بر اساس حل تحليلي پيل سوختي عمل مي کند به اين منظور استفاده شد. مشکل عمده استفاده از مدلسازي با حل تحليلي به جاي آزمايشات، ميزان دقت پاسخ ايجادي از حل تحليلي در مقايسه با انجام آزمايشات است. براي سنجش ميزان صحت پاسخ مدلسازي تحليلي از نتايج يک سري آزمايشات عملي در جهت اعتبار سازي حل صورت گرفته استفاده شد. پس از مقايسه نتايج آزمايشگاهي و نتايج حاصل از حل تحليلي، مقايسه ها نشان داد حل تحليلي صورت گرفته دقت قابل قبولي داشته و براي بکارگيري در جهت سنجش مقادير پارامترهاي عملکردي پيل سوختي مناسب است. قابل ذکر است مقاديري از پارامترها به عنوان مقادير بهينه در نظر گرفته مي شود که در حل تحليلي صورت گرفته مقدار ماکزيموم توان بيشتري داشته باشد. توضيح روش به کار گرفته شده از اين نرم افزار و همچنين مقايسه نتايج آزمايشات و حل تحليلي در فصل چهارم آورده شده است.
فصل دوم:
نگرشي بر پيلهاي سوختي
2-1 تاريخچه مختصري از پيل‌هاي سوختي
تاريخچه توسعه پيل سوختي در شكل (2-1) نشان داده شده است.
شكل (2-1) روند توسعه پيل سوختي] 2[
يک دانشمند انگليسى به نام ويليام گرو15 در سال 1839(قرن 19)، با ترکيب اکسيژن، هيدروژن و آب توانست جريان الکتريسيته توليد کند. فرآيند يادشده در توليد جريان الکتريسيته بر عکس فرآيند الکتروليز است که در آن براى شکستن آب به اجزاى سازنده آن، از جريان الکتريسيته استفاده مى شود. در سال 1937 دانشمندي ديگري از انگلستان بنام فرانسيس بيكن16 بر روي يك پيل سوختي كاربردي فعاليت كرد و توانست يك پيل سوختي kw4 را تا قبل از سال 1950 بسازد. اولين كاربرد پيل سوختي قبل از سال 1960 ميلادي در صنعت هوا- فضاي ايالات متحده بود، در جايي‌كه اولين پيل سوختي پليمري در سفينه جميني17 وظيفه ايجاد جريان الكتريسيته را داشت.
پرت18 و ويتني19 از پيل سوختي بيكن در سفينه جميني الگوبرداري كرده و پيل سوختي ديگري را براي استفاده از سفينه آپولو20 ساختند كه اين پيل سوختي وظيفه ايجاد جريان برق براي ارتباطات، هدايت و پشتيباني سفينه را به عهده داشت. شكل (2-2) پيل سوختي به كار گرفته شده در سفينه آپولو را نشان مي‌دهد.
شكل (2-2) پيل‌هاي سوختي در آپولو ] 2 [
در اواسط دهه 60 شركت جنرال موتور هم به تحقيق در اين زمينه پرداخت و درصدد توسعه اين فن‌آوري برآمد. روند تكميلي پيل سوختي تا سال 1990 در صنعت هواپيمايي آمريكا طي شد و در اين مدت ايالات متحده در بكارگيري پيل‌هاي سوختي بعلت مزاياي بالاي آنان مبادرت ورزيد.
در سال 1993 شركت بالارد پاور سيستم21 اولين خودرويي كه با پيل سوختي پليمري كار مي‌كرد را توليد كرد. اين خودرو در شکل (2-3) قابل مشاهده است.
شكل (2-3) خودرويي با سوخت هيدروژني ]2[
با ساخت اولين خودروي پيل سوختي، اين فن‌آوري علاوه بر عرصه هوايي، به كاربردهاي زميني در ايالات متحده كشيده شد و كمپاني‌هاي خودروسازي در آمريكا به اين فن‌آوري علاقه‌مند شدند و تحقيقات گسترده در اين زمينه شدت گرفت.
امروز شرکت هاى ماشين سازى فراوانى در جهان، هزينه هاى هنگفت خود را صرف توسعه پيل سوختى ها مى کنند. شرکت فورد و شرکت بالارد پاور سيستمز که يک شرکت کانادايى و از پيشگامان استفاده از فناورى پيل سوختى است، حدود 750 ميليون دلار در اجراى يک پروژه مشترک جهت توسعه تجارى وسايل نقليه، سرمايه گذارى کرده اند و برنامه بعدى آنها سرمايه گذارى 2/1 ميليارد دلارى در زمينه ساخت خودروهايى با کاربرى پيل سوختى ها است. شرکت هاى تويوتا و جنرال موتور نيز درصدد رقابت در اين زمينه هستند اما شايد اعمال استانداردهاى سخت نسبت به موتورهاى درون سوز، علت اصلى اين همه رقابت و تلاش براى به کارگيرى فناورى پيل سوختى باشد. به گفته محققان، فناورى پيل سوختى در دهه گذشته از يک صنعت کوچک به يک صنعت بزرگ و رو به رشد تبديل شده است. از دلايل اين رشد ناگهاني، استفاده گسترده صنعت خودروسازى در ساخت موتورهاى هيبريدي (دوگانه سوز) است. شرکت هاى ماشين سازى ميزان فروش خود را در گرو قيمت سوخت خودروها مى دانند و از اين رو رويکرد آنها به سرمايه گذارى در اين بخش، بيش از گذشته است.
در سال‌هاي گذشته اين صنعت در آمريكا و ژاپن به شدت در حال افزايش است. شكل (2-4) ميزان علاقه‌مندي و اهميت پيل سوختي را در بين انجمن‌هاي مهندسي و دانشمندان نشان مي‌دهد.
شكل (2-4) انتشارات ثبت شده سالانه در جامعه جهاني ] 2 [
2-2 انواع پيلهاي سوختي :
پيل‎هاي سوختي براساس نوع الکتروليت استفاده شده در آن‎ها به پنج نوع اصلي طبقه بندي مي‎شوند] 2 [.
* پيل سوختي قليايي (AFC)
* پيل سوختي الکتروليت پليمري با غشاء مبادله کننده پروتون (PEMFC)
* پيل سوختي اسيد فسفريک (PAFC)
* پيل سوختي کربنات مذاب (MCFC)
* پيل سوختي اکسيد جامد (SOFC)
2-2-1 پيل‌هاي سوختي آلكاليني
در پيل‌هاي سوختي آلكاليني براي شرايط كاري دما بالا از هيدروکسيد پتاسيم غليظ و در دماهاي پائين از هيدروکسيد پتاسيم رقيق بعنوان الكتروليت استفاده مي‌شود. علاوه بر هيدروکسيد پتاسيم مي‌توان از نيكل، نقره، اكسيدهاي فلزي و فلزات خنثي نيز استفاده نمود. پيل‌هاي سوختي آلكاليني از دهه 1960 در برنامه‌هاي فضايي مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
2-2-2 پيلهاي سوختي پليمري
در اين نوع از پيلهاي سوختي از الکتروليتهاي پليمري استفاده مي شود که از پليمرهاي داراي قابليت عبوردهي پروتون مي باشند . دماي کاري آنان بين 60 تا 80 درجه سانتي گراد بوده و کانــــديداي جدي براي جانشيني سوختهاي فسيلي در خودروها به شمار مي آيند . اين نوع پيلهاي ســـوختي داراي دو نوع متانولي و هيدروژني هستند که در واقع نوع سوخت استفاده شده در آند متفاوت است.
2-2-3 پيل‌هاي سوختي اسيد فسفريكي
پيل‌هاي سوختي اسيد فسفريكي از اسيد فسفريك خيلي غليظ بعنوان الكتروليت استفاده مي‌كنند. اسيد درون محفظه‌اي از جنس سيليكون قرار گرفته و از پلاتينيوم بعنوان كاتاليست در آند و كاتد استفاده مي‌شود. معمولاً دماي كاري آنها بين ?c150 تا ?c220 مي‌باشد. امروزه از آن‌ها بعنوان ايستگاه‌هاي ثابت توليد الكتريسيته بصورت نيمه تجاري استفاده مي‌شود.
2-2-4 پيل‌هاي سوختي كربنات مذاب
پيل‌هاي سوختي كربنات مذاب كه الكتروليت آن‌ها تركيبي از كربنات‌هاي قليايي مثل ليتيم و سديم مي‌باشد، درون محفظه‌اي سراميكي از جنس قرار مي‌گيرند. دماي كاري آنها بين ?c600 تا ?c700 مي‌باشد كه در اين دماها كربنات نمك مذاب داراي رسانندگي بالا بوده و يون‌هاي كربنات، هدايت يوني را ايجاد مي‌كنند. اين نوع پيل‌هاي سوختي هنوز تجاري نشده و براي ايستگاه‌هاي توليد قدرت ساكن قابل استفاده مي‌باشند.
2-2-5 پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد
پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد از اكسيد فلزي غيرمتخلخل جامد (معمولاً پايدار شده در )‌ بعنوان الكتروليت استفاده مي‌كنند. دماي كاري آنها بين ?c800 تا ?c1000 مي‌باشد كه در اين محدوده دمايي، يون‌هاي اكسيژن قابليت هدايت يوني پيدا مي‌كنند. اين نوع پيل‌هاي سوختي نيز به مرحلة تجاري نرسيده‌اند و از مقياس‌هاي كوچك آن‌ها براي توليد قدرت با قابليت جابجاشدن و سيستم‌هاي كمكي در اتوبوس‌ها استفاده شده است. شكل (2-5) مباني اساسي و واكنش‌هاي الكتروشيميايي انواع مختلف پيل‌هاي سوختي همراه دماي عملكردي آنان را نشان مي‌دهد.
2- 3 طريقة عملكرد پيل سوختي پليمري
واژة PEM به معني غشاي الكتروليت پليمري22 يا غشاي تبادل پروتوني23 است. در مرکز پيل سوختي پليمري غشايي از جنس پليمر وجود دارد که داراي چندين قابليت است. به دليل استفاده از اين نوع غشا است که اين نوع پيلهاي سوختي را به پيل سوختي پليمري مي شناسند. اين غشا در برابر گازها نفوذ ناپذيرند ولي از توانايي انتقال پروتون برخوردارند و به همين دليل اين نوع پيلها
شكل (2-5) انواع پيل سوختي همراه با نوع واكنش و دماي كاركرد آنان ]2[
را پيل سوختي غشا تبادل پروتوني نيز مي نامند. غشاهاي پليمري که نقش الکتروليت را ايفا مي کنند، بين دو ناحيه متخلخل از جنس کربن قرار مي گيرند که الکترودهاي حاوي جريان الکتريسيته مي باشند. اين الکترودها معمولا از جنس پوششهاي کربن يا صفحات فيبرکربني مي باشند. بين الکترود متخلخل و غشاي پليمري، لايهاي کربني با روکشي از بسته هاي کاتاليستي معمولا از جنس پلاتينـــيوم قرار دارد که واکنشهاي شيميايي روي آن انجام ميگيرد. شكل (2-6) پيكربندي و اساس عملكرد پيل سوختي پليمري را نشان مي‌دهد.
واكنش‌هاي شيميايي بر روي سطح كاتاليست كه در سطح مشترك الكترود و غشا قرار دارد، صورت مي‌پذيرد. هيدروژن از يك طرف ]از سمت الكترود آند يا الكترود مربوط به سوخت[ به سمت غشا تغذيه شده و به يون‌هاي اوليه‌اش تجزيه مي گردد و بصورت پروتون و الكترون درمي‌آيد. هر اتم هيدروژن شامل يك الكترون و يك پروتون است. پروتون‌ها از طريق غشاي پليمري به سمت الكترود ديگر حركت مي‌كنند، در حالي‌كه الكترون‌ها توسط الكترودهاي رساناي جريان الكتريكي و از طريق
شكل (2-6) اساس عملكرد پيل سوختي پليمري ]2[
جمع‌كننده‌هاي جريان به يك مدار بيروني هدايت شده و جريان الكتريكي در يك مدار خارجي ايجاد مي‌شود و جريان پس از عبور از اين مدار بيروني به طرف ديگر غشا برمي‌گردد. پروتوني كه از داخل غشا و الكتروني كه از مدار خارجي به سمت ديگر غشا رفته‌اند، در محل كاتاليست به هم مي‌رسند. با توجه به اكسيژني كه از سمت ديگر غشا به غشا تغذيه مي‌شود ]الكترود كاتد[ طي يك واكنش الكتروشيميايي آب توليد مي‌گردد و با توجه به جريان اضافي اكسيژن، آب ايجادي به خارج سلول هدايت مي‌گردد. نتيجه خالص اين واكنش‌هاي همزمان، جريان مستقيم الكترون‌هاست كه از طريق مدار خارجي ايجاد مي‌گردد. الكترودي كه به آن هيدروژن تغذيه مي‌شود، الكترود منفي يا الكترود آند ناميده مي‌شود و الكترودي كه به آن اكسيژن تغذيه مي‌شود، الكترود مثبت يا الكترود كاتد ناميده مي‌شود.
2-4 اهميت نيازمندي به پيل‌هاي سوختي
پيل‌هاي سوختي انرژي‌هاي نويد دهنده‌اي هستند كه روز به روز كاربرد آن‌ها در عرصه‌هاي گوناگون روبه گسترش است. اين نوع پيل‌ها خصوصيات بسياري دارند كه آنان را در مقايسه با ديگر منابع انرژي جذاب و قابل توجه مي‌كند كه از آن جمله مي‌توان به موارد زير اشاره كرد.
2-4-1 بازدهي بالا
پيل هاي سـوختي از قوانين حاكم بر ماشــين هاي گرمايي تبـعيت نمي كنند، از اين رو بازدهي
آنها به ســـه برابر ماشين هاي گرمايي مي رسد. بر اساس نوع و طراحي، بازدهي الكتريكي پيل هاي سوختي حدود 40 تا 60 درصد (كـمترين ارزش گرمايي) مي باشد. بازدهي پيل سوختي ثابت و مستقل از اندازه آنها مي باشد. وقتي كه از گرماي خروجي آنها نيز استفاده شـــــود بازدهي تقريبا به 85 درصد مي رسد.
2-4-2 تنظيم سيستم بر حسب نياز
پيل هاي سوختي بسيار انعطاف پذير هستند. يعني مي توان در هر لحظه يك يا چند توده پيل را به كار گرفت و يا از كار انداخت. توان خروجي آنها بسيار متغير است (گستره توان خروجي از 100 مگاوات براي سوخت زغال سنگ تا بيش از 500 مگاوات براي گاز طبيعي در تغيير است). ارزش تمام شده توده پيل به ازاي هر كيلو وات براي يك نيروگاه بزرگ و يا كوچك يكسان است، چرا كه بازدهي الكتريكي به طور منفرد محاسبه مي شود و تعداد پيل روي بازدهي كلي كم اثر است.
2-4-3 سازگاري با قوانين محيط زيست
پيل هاي سوختي داراي بازدهي بالا مي باشند و در هر توان خروجي، دي اكســـيد كربن توليد شده، كم مي باشد. اين پيل ها بي سر و صدا هستند و صداي آنها 60 دسي بل در هر متر مربع مي باشد، از اين رو قابل نصب در هر محلي مي باشند. پيل هاي سوختي را مي توان به گونه اي طراحي كرد كه از لحاظ مقدار آب مورد نياز خود كفا باشند.
2-4-4 انعطاف پذيري نسبت به سوخت
هيدروژن سوخت اصلي پيل هاي سوختي است كه از تفكيك آب، گاز طبـــــــيعي، زغال سنگ، متانول و ديگر سوخت هاي هيدروكربني بدست مي آيد.
2-4-5 افزايش توليد و كاهش توزيع
با توجه به نياز روز افزون به انرژي در مناطق دور دست در صورت استفاده از پيل ســـوختي مشكلات توزيع با كاهش خطوط جديد انتقال انرژي برطرف مي شود. هم اكنون 8 تا 10 درصد از انرژي توليد شده بين نيروگاه و مصرف كنندهها از طريق خطوط انتقال هدر مي رود ولي با استفاده از پيلهاي سوختي اتلاف انرژي الكتريكي در هنگام انـتقال كاهش مي يابد و بازدهي كلي تبديل سوخت، بهينه مي شود همچنين خطر ناشي از از ميدان هاي الكترومغناطيــسي موجود در اطراف خطوط انتقال نيرو در ولتاژ بالا از بين مي رود.
2-4-6 عدم نياز به تعمير
چون پيلهاي سوختي قطعات متحركي ندارند از اين رو نياز پي در پي به تعمير نداشته و تنها تعويـــض فيلتر هوا و مواد جاذب، مورد نياز است. حداقل زمان تعويض قطعات 5 سال است ، هر چند انتظار مي رود كه اين زمان به 20 سال يا بيشتر هم برسد.
2-4-7 عدم انتشار يا حداقل پراكندگي انرژي
در اين پيل‌ها هم پراكندگي انرژي در حين توليد برق وجود دارد، مخصوصاً اگر بجاي هيدروژن از
متانول مايع بعنوان سوخت استفاده كنيم كه اكسيدهاي كربن ايجاد مي‌كند ولي در حالت كلي ميزان پراكندگي انرژي آنان در مقايسه با روش‌هاي سنتي توليد جريان بسيار كم است.


پاسخ دهید