فعال
حالت پایه
کاهش اهمی
کلی
پخش آند
پخش کاتد
اختصارات
GA الگوریتم ژنتیک
MEA مجموعه غشا
CFD دینامیک سیالات محاسباتی
فصل اول:
مقدمه
۱-۱ پیش‌ گفتار
دو مشکل اساسی در استفاده از سوخت‌های فسیلی که بیش از %۸۰ 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 ۲۰۱۵ تا ۲۰۳۰ 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 ۱۹۷۰، 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 فرایند‌های 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 ۲۰ سال گذشته توسعه و بکارگیری این سیستم‌ها قوت چندانی گرفته است.
۱-۲ 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 فرایند تولید الکتریسیته از سوخت، شامل چندین گام تبدیل انرژی است که این گام‌ها عبارتند از:
(۱) سوزاندن سوخت مورد نظر و تبدیل آن به حرارت
(۲) ایجاد آب جوش و بخار آب از حرارت به وجود آمده
(۳) بکار گیری بخار آب ایجادی در توربین جهت تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی
(۴) 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 ۱-۱) چگونگی ایجاد جریان الکتریسیته توسط پیل سوختی را در یک گام نشان می‌دهد.

شکل (۱-۱) ایجاد جریان الکترسیته مستقیم از پیل سوختی در یک مرحله ]۲[
یک پیل سوختی از برخی جنبه‌ها شبیه به یک باتری است چون شامل الکترولیت و قطب‌های مثبت و منفی است و از واکنشهای الکتروشیمی، جریان الکتریسیته DC تولید می‌کند ولی برخلاف یک باتری نیازمند سوخت و اکسیژن مداوم است، همچنین الکترودهای پیل سوختی برخلاف یک باتری دستخوش تغییرات شیمیایی قرار نمی‌گیرند.
باتری‌ها به واسطه واکنشهای شیمیایی و با بهره گرفتن از موادی که از قبل درون آن‌ها قرار گرفته است، جریان الکتریسیته تولید می‌کنند و به همین دلیل یک باتری در صورت مصرف مواد داخل آن تخلیه می شود که در این صورت نیازمند شارژ مجدد است البته مشروط به اینکه قابلیت شارژ مجدد را داشته باشد ولی یک پیل سوختی مادامی که اکسیژن و سوخت به آن تزریق شود، امکان تخلیه ندارد و می‌تواند در دراز مدت کار کند. اکسیژن و هیدروژن که از مواد مورد نیاز پیل سوختی است به وفور در دسترس است و هم به صورت خاص و هم به صورت ترکیبی یافت می‌شود، مثلاٌ هیدروژن ممکن است در ترکیب با گازهایی همچون  ،  ، Co و … موجود باشد و یا در هیدروکربنات‌هایی مثل گاز طبیعی  یا حتی هیدروکربنات مایع مثل متانول  وجود داشته باشد، همچنین هوای محیط هم به اندازه کافی حاوی اکسیژن مورد نیاز پیل سوختی می‌باشد. از سوی مقابل باتری هم مزیت‌هایی نسبت به پیل سوختی دارد که می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- عدم اتلاف حرارت و آب توسط باتری ]حرارت ایجادی در باتری بسیار کمتر از پیل سوختی است[
- عدم نیاز به مدیریت سیستم در باتری
- عدم نیاز به تجهیزات زیاد و هزینه‌های جانبی سنگین
۱-۳ بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی پلیمری
در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد :
بهینه سازی پارامترهای فرآیندی یا پارامتر های عملکردی
بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل
۱-۳-۱ بهینه سازی پارامترهای فرآیندی
بهینه سازی در پارامترهای متغیر شامل پارامترهایی از قبیل دما ، فشار کارکرد ، نسبت مصرف سوخت در کاتد به آند ، دمای مرطوبیت ، غلظت یا مولاریته سوخت ، سینتیک واکنش و ….. که از میان این پارامتـرها تعدادی قابل کنترل و تعدادی غیر قابل کنترل اند و یا به عبارت صحیح تر کنترل برخی از پارامــــــترها هزینه زیادی در بر داشته طوری که از کنترل آنان صرف نظر شده و به مهار کردن پارامترهای در دســترستر پرداخته شده است. در مقالات معمولا به بررسی چهار پارامتر از تمامی پارامترهای ممکن پرداخته شــده است که این چهار پارامتر عبارتند از :
دمای کارکرد پیل سوختی که معمولا بین ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد متغیراست
درصد رطوبت پیل سوختی
میزان مصرف اکسیژن در کاتد به مصرف هیدروژن در آند
فشار سیستم در سمت آند
فشار سیستم در سمت کاتد
۱-۳-۲ بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل
پیل سوختی از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است که در هر قسمت می توان بررسی هایی در جهت افزایش راندمان صورت داد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد :
نوع کانال جریان آند (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ)
لایه پخش گازی آند (جنس ، میزان فشردگی)
مواد و ضخامت لایه کاتالیست آند و کاتد
لایه پخش گازی کاتد (جنس ، میزان فشردگی)
سایز ابعادی کانالها در هر دو قسمت آند و کاتد (طول ، عرض و عمق کانال)
فاصله بین دو کانال در صفحات الکترود (یا بررسی شعاع گذر)
مواد و ضخامت غشای تبادل یونی
نوع کانال جریان کاتد (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ(
و ………….