بررسی عددی و بهینه‌سازی سلول‌های سوخت میکروسیالی تغذیه بخار با مصرف سوخت زیاد

سلول سوخت میکروسیالی تغذیه بخار(VF-MFC) مزایای مختلفی دربرابر سلول سوخت میکروسیالی تغذیه مایع معمولی دارد، مانند مدیریت سیالی ساده‌تر، مصرف سوخت بیشتر، غیرحساس بودن به آهنگ جریان و مانند آن. برای درک بهتر مکانیسم نهفته در ارجحیت آن و برای بهینه‌سازی بیشتر عملکرد آن یک مدل عددی همدما 3D در این کار مطرح شده است. نتایج محاسباتی با داده‌های قبلی و تجربی کنونی به خوبی سازگاری دارند، و اعتبار مدل کنونی برای شبیه‌سازی VF-MFC را فرآهم می‌کنند. ازطریق اینمدل، مشخص می‌شود که سوخت محلول در VF-MFC در یک لایه مرزی نازک نزدیک به سطح کاتالیزور آند به خوبی کنترل می‌شود، که نه تنها می‌تواند تقاضای واکنش اکسیداسیون آند را برآورده کند بلکه هدردهی سوخت را نیز تا حدزیادی کاهش می‌دهد. به این ترتیب، VF-MFC می‌تواند به خروجی توان رضایتبخش و ضمنا مصرف سوخت زیاد دست یابد. علاوه براین، تاثیر لایه مرزی بر آهنگ جریان الکترولیت می‌تواند غلظت سوخت را در لایه نازک در نرخ‌های مختلف جریان نسبتا پایدار نگه دارد، که می‌تواند دلیل غیرحساس بودن عملکرد VF-MFC به آهنگ جریان الکترولیت باشد. به منظور بهبود بیشتر خروجی توان و بازده سوخت آن، اثرات مساحت تبخیر سوخت و نسبت بازبودن آند نیز کاملا با مدل کنونی مورد بررسی قرارگرفته‌‌اند. مشخص می‌شود که یک نسبت مساحت بخیر-واکنش 1/11 برای VF-MFC کنونی کافی است، درحالیکه یک مساحت تبخیر سوخت کوچکتر می‌تواند منجر به بهبود مصرف سوخت به هزینه‌ی خروجی توان کمتر شود. برای بهبود بخشیدن به مصرف سوخت و خروجی توان، مساحت الکترود به سمت خروجی کانال افزایش می‌یابد درحالیکه مساحت ورودی بخار ثابت نگه داشته می‌شود، یعنی نسبت بازبودن آند کاهش می‌یابد. با این استراتژی، VF-MFC می‌تواند به %48 خروجی توان بیشتر دست یابد و مصرف سوخت از %5/27 به %8/41 افزایش یابد، هنگامیکه یک نسبت بازبودن آند 1:3 اتخاذ می‌شود.

سلول سوخت میکرو سیال(MFC) یک نوع جدید از سلول سوخت است، که به غشاء فیزیکی برای جداکردن دو الکترودش و واکنش‌دهنده‌های مربوطه نیاز ندارد[1،2]. به جای اینکه MFC بطورکلی دو جریان لایه‌ای را به کاربگیرد، یکی در سوخت حل می‌شود(یعنی آنُلیت) و دیگری در اکساینده حل می‌شود (یعنی کاتلیت)، و مستقیما در کانال میکروسیالی آن جریان می‌یابد و از بین دو الکترود آن عبور می‌کند، همانطورکه در شکل1(a) نشان داده شده است. با بهره بردن از عدد رینولدز کم برای جریان میکروسیالی، آمیختن همرفت قوی از بین می‌رود، با فقط یک فرآیند پخش آهسته که در سطح مشترک آنلیت-کاتلیت رخ می‌دهد. به این ترتیب، سوخت و اکساینده بصورت طبیعی برای حفظ یک عملیات سلول سوخت موفق جدا می‌شوند. با استناد کردن به ساختار ساده‌تر آنها، MFCs دارای مزایای بسیاری در مقایسه با سلول‌های سوخت مبتنی بر غشاء معمولی مانند سلول سوخت غشاء تبادل پروتون(PEMFC) هستند. اول از همه، هزینه سلول بصورت قابل توجهی به دلیل از بین رفتن غشاء پرهزینه کاهش می‌یابد. علاوه براین، می‌توان از تمام مسائل مربوط به غشاء شامل آبزدایی و تخریب غشاء و حساسیت آن به محیط واکنش اجتناب کرد. علاوه براین، انتخاب سوخت، اکساینده، و گونه‌های الکترولیت تاحد زیادی در MFCs گسترده می‌شود، که در میان آنها پیکربندی الکترولیت دوگانه با محیط اسیدی در سمت کاتد و محیط قلیایی در سمت آند به منظور قوی بودن برای ارتقاء بخشیدن به توان خروجی نشان داده شده است[5-3]. از سوی دیگر، مدیریت آب و گرما ذاتا توسط جریان میکروسیالی پیوسته انجام می‌شود، که منجر به یک سیستم سلول سوخت بسیار ساده می‌شود. با این وجود، تکنولوژی MFC کنونی همچنان با مشکلات حل نشده‌ی بسیاری مواجه است که تاحد زیادی مانع پیشرفت و کاربرد عملی بیشتر آنها شده‌اند. ابتدا، به کارگیری محلول آبی حجیم چگالی انرژی سیستم را بطورچشمگیری کاهش می‌دهد. علاوه براین، نیاز جدی به کنترل آهنگ جریان الکترولیت به مولفه‌های کمکی پیچیده مانند میکرو پمپ‌ها و محیط کار پایدار نیاز دارد، که دورنمای کاربرد آنها را تاحد زیادی محدود می‌کند. علاوه براین، مصرف سوخت بطورکلی کم است چونکه سوخت حل شده نیاز دارد که در لایه کاتالیست(CL) آند از آنلیت حجیم پخش شود، که درمقایسه با انتقال همرفتی در امتداد کانال میکروسیالی یک فرآیند بسیار آهسته است. درنتیجه، بخش بزرگی از سوخت هیچ شانسی برای واکنش داد ندارد، و منجر به یک مصرف سوخت کم کمتر از %10 می‌شود [6]. برای مقابله با این مسئله، بطورکلی آهنگ‌های جریان الکترولیت کمتر اتخاذ می‌شوند، که با اینحال، می‌توانند عملکرد را تا دو جنبه کاهش دهند. تاثیر کاهش در سمت آند شدید می‌باشد درحالیکه تاثیر عبور سوخت در سمت کاتد وخیم‌تر می‌باشد. در نتیجه، مصرف سوخت از لحاظ ارزش عملکرد سلول فداشده و حتی مسمومیت کاتالیست بهبود می‌یابد. این معضل بین عملکرد سلول و مصر سوخت نیز باید برای توسعه‌ی MFC در آینده حل شود. شکل.1 نمودار شماتیک برای دو حالت تغذیه سوخت مختلف در MFCs: (a) تغذیه مایع؛ (b) تغذیه بخار. قبلا یک MFC تغذیه بخار (VF-MFC) مطرح کرده‌ایم که درمقایسه با MFC تغذیه مایع (LF-MFC) معمولی حالت تحویل سوخت کاملا متفاوتی دارد[6]. همانطورکه در شکل1(b) نشان داده شده است، به جای حل کردن سوخت در آنلیت و تغذیه کردن آن به آند از داخل کانال، VF-MFC از بخار سوخت از بیرون کانال استفاده می‌کند که ازطریق آند منفذدار پخش می‌شود و در الکترولیت جاری حل می‌شود. به این ترتیب، از هدردهی آنلیت حجیم اجتناب می‌شود، که منجر به یک الگوی تحویل سوخت مقرون به صرفه‌تر و در نتیجه یک مصرف سوخت بیشتر تا مرتبه‌ی %40 می‌شود. همچنین، عملکرد سلول VF-MFC از بین نرفت. مطالعه‌ی تجربی ما قبلا مزیت VFMFC را اثبات کرده است. بااینحال، مکانیسم خاص نهفته در ارجحیت آن هنوز به وضوح درک نمی‌شود، زیرا بررسی تجربی آن یا دشوار است یا پرهزینه. مدلسازی عددی یک روش آسان و مقرون به صرفه برای بررسی و توسعه‌ی MFC است، که نه تنها مکانیسم متعارف در پدیده تجربی را نشان می‌دهد بلکه بطورجامع ساختار سلول و پارامترهای عملیات را بهینه‌سازی می‌کند. برای مدلسازی MFC طی دهه‌ی گذشته تلاش‌های بسیاری انجام شده است، از جمله بررسی بهینه‌سازی مصرف سوخت[17-7]، فرونشاندن عبور سوخت[20-18]، دمش هوا توسط کاتد[23-21]، جریان ازطریق الکترودها[27-24]، و سایر مسائل سیستماتیک مربوطه[30-28]. با وجود تمام این دستاوردها، مدلسازی MFC کنونی عمدتا بر LF-MFC معمولی تمرکز می‌کند. براساس دانش ما، هیچ گونه مطالعه‌ی مدلسازی برروی VF-MFC هنوز انجام نشده است زیرا این یک تکنولوژی نو ظهور است. بنابراین، در این کار یک مدل VF-MFC همدما 3D با استفاده از یک نرم افزار با روش المان محدود (FEM) ،Comsol® 4.2، مطرح کرده‌ایم. ابتدا، به منظور اطمینان حاصل کردن از قابلیت اطمینان مدل پیشنهاد شده، نتایج شبیه‌سازی تحت شرایط مختلف آزمایش توسط داده‌های تجربی قبلی تایید شده‌اند. سپس، توزیع گونه در داخل الکترولیت درطول عملیات سلول برای نشان دادن مکانیسم در ارجحیت VF-MFC کاملا مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه براین، چندین پارامتر ساختاری و عملیاتی سلول، شامل آهنگ جریان الکترولیت، مساحت بخار سوخت و نسبت باز بودن الکترود، به ترتیب به منظور بهینه سازی‌کردن عملکرد VF-MFCs مورد مطالعه قرارگرفته‌اند.