استاد مشاور:
دکتر کورش صدیقی
 
مهر ماه 88
 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

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.

 

  

پارامتر
مقدار بهینه حاصل از الگوریتم حاضر
مقدار گزارش شده بر اساس مرجع ]1[
دمای کارکردی پیل (oC)
75
75
فشار آند (bar)
5/4
5
فشار کاتد (bar)
5
5
 

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.

 

واژه های کلیدی :

پیل سوختی پلیمری، الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی، پارامتر های فرآیندی، ماکزیموم توان

فهرست مطالب

فصل اول: 1

1-1 پیش‌ گفتار 2

1-2 پیل سوختی چیست‌ ؟ 2

1-3 بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی پلیمری 4

1-3-1 بهینه سازی پارامترهای فرآیندی 4

1-3-2 بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل 5

1-4 پژوهشهای انجام شده در مورد بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری 6

1-5 بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری 8

فصل دوم: 11

2-1 تاریخچه مختصری از پیل‌های سوختی 12

2-2 انواع پیلهای سوختی : 15

2-2-1 پیل‌های سوختی آلكالینی 16

2-2-2 پیلهای سوختی پلیمری 16

2-2-3 پیل‌های سوختی اسید فسفریكی 16

2-2-4 پیل‌های سوختی كربنات مذاب 17

2-2-5 پیل‌های سوختی اكسید جامد 17

2- 3 طریقة عملكرد پیل سوختی پلیمری 17

2-4 اهمیت نیازمندی به پیل‌های سوختی 20

2-4-1 بازدهی بالا 20

2-4-2 تنظیم سیستم بر حسب نیاز 20

2-4-3 سازگاری با قوانین محیط زیست 20

2-4-4 انعطاف پذیری نسبت به سوخت 21

2-4-5 افزایش تولید و كاهش توزیع 21

2-4-6 عدم نیاز به تعمیر 21

2-4-7 عدم انتشار یا حداقل پراكندگی انرژی 21

2-4-8 سادگی ساختار 22

2-4-9 سایز و ابعاد كوچك 22

2-5 كاربردهای پیل سوختی 22

2-5-1 سیستم‌های قدرت 23

2-5-2 سیستم‌های حمل‌ونقل 24

2-5-3 سیستم‌های پرتابل 24

2-5-4 دستگاه‌های صوتی و تصویری 24

2-5-5 سیستم‌های نظامی 24

فصل سوم: 25

3-1 مقدمه 26

3-2 پیدایش الگوریتم ژنتیک 27

3-3 الگوریتم ژنتیک 28

3-3-1 عملگرهای اصلی GA 29

3-3-1-1 روش های کدگذاری 29

3-3-1-2 جمعیت اولیه 31

3-3-1-3 تابع برازندگی 32

3-3-1-4 انتخاب 32

3-3-1-4-1 انتخاب چرخ گردان  (RWS) 33

3-3-1-4-2 انتخاب رقابتی 34

3-3-1-5 ادغام 35

3-3-1-6 جهش 37

3-3-1-6-1  احتمال جهش )) 38

3-3-1-7 سایر عملگرهای ژنتیکی 38

3-3-2 الگوریتم ژنتیک با نخبه سالاری ساده 38

3-3-3 روش های جایگزینی 39

3-3-4 معیار همگرایی 40

3-3-5 معیار عملکرد 41

3-3-6 تفاوت GA با روش های مرسوم بهینه‌سازی ]21[ 41

3-3-7 نقاط قوت GA 42

3-3-8  نقاط ضعف GA 42

3-3-9 در چه مواقعی از GA استفاده میشود 43

3-3-10 کاربردهای GA 43

3-4 بهینه سازی پارامتر های فرآیندی پیل سوختی با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک 44

3-4-1 استفاده از حل تحلیلی در الگوریتم ژنتیک حاضر 44

3-4-1-1 استفاده از آزمایشات عملی 45

3-4-1-2 استفاده از حلCFD 46

3-4-1-3 استفاده از حل تحلیلی 46

3-4-2 تعریف تابع برازندگی 47

3-4-3 برنامه نویسی در محیط Manuscript File نرم افزار MATLAB 48

3-4-4 استفاده از الگوریتم ژنتیک نخبه گرا 48

3-4-4-1 کدگذاری مقادیر پارامترها 48

3-4-4-2 انتخاب تعداد جمعیت اولیه و تعداد نسل ها 49

3-4-4-3 اعمال اپراتور پیوند و جهش در الگوریتم ژنتیک حاضر 50

3-4-5 استفاده از Lookup Table در محیط MATLAB Simulink 50

3-4-6 دلیل انتخاب 3 پارامتر حاضر جهت بهینه‌سازی 52

فصل چهارم: 53

4-1 مدلسازی پیل سوختی پلیمری با بهره گرفتن از حل تحلیلی 54

4-1-1 مدلسازی کانال 54

4-1-2 مدلسازی MEA 55

4-1-3 متدولوژی حل معادلات 57

4-2 معتبر سازی مدلسازی با آزمایشات عملی 57

4-3 پارامترهای ثابت مدلسازی 61

فصل پنجم: 62

5-1 مقادیر برازندگی های به دست آمده از حل تحلیلی 63

5-2 اجرای الگوریتم ژنتیک لینک شده با MATLAB Simulink 63

5-3 تاثیر دما بر عملکرد پیل سوختی 65

5-4 تاثیر فشار بر عملکرد پیل سوختی 66

5-5 اهمیت فشار آند نسبت به فشار کاتد 67

 

5-6 نمودارهای سه بعدی دما-فشار 70

فصل ششم: 72

6-1 نتیجه گیری 73

6-2 پیشنهادات 74

فهرست مراجع 75

پیوست الف 78

برنامه MATLAB لینک شده با MATLAB Simulink 78

پیوست ب 84

جداول Simulink و منحنی های دو بعدی و سه بعدی بیشینه توان 84

 

 

فهرست اشکال

فهرست اشکال 11

شكل (1-1) ایجاد جریان الكترسیته مستقیم از پیل سوختی در یك مرحله ]2[ 3

شكل (2-1) روند توسعه پیل سوختی]  2[ 12

شكل (2-2) پیل‌های سوختی در آپولو ] 2 [ 13

شكل (2-3) خودرویی با سوخت هیدروژنی ]2[ 14

شكل (2-4) انتشارات ثبت شده سالانه در جامعه جهانی ] 2 [ 15

شكل (2-5) انواع پیل سوختی همراه با نوع واكنش و دمای كاركرد آنان ]2[ 18

شكل (2-6) اساس عملكرد پیل سوختی پلیمری ]2[ 19

شكل (2-7) مجموعه‌ای از كاربردهای مختلف پیل‌های سوختی ]2[ 23

شكل (3-1) طبقه‌بندی كلی روش‌های بهینه‌سازی] 19[ 27

شكل(3-2 ) نمودار گردشی الگوریتم ژنتیک 30

شكل (3-3) انتخاب چرخ‌‌گردان 34

(شکل 3-4) پیوند یک نقطه‌ای 36

شکل (3-5) الگوریتم ژنتیک با بکارگیری مفهوم نخبه‌سالاری 40

شكل (3-6) تعیین مقدار ماکزیموم بعنوان تابع برازندگی 47

شکل (3-7) نمودارالگوریتم ژنتیک بکار گرفته شده در تحقیق حاضر 49

شکل (3-8) بلوک دیاگرام مورد استفاده درفشار جزیی آند 5 بار 52

شکل (4-1) روند حل معادلات پیل سوختی 57

شکل (4-2) پیل سوختی و دستگاه تست پژوهشگاه دانشگاه 58

شکل (4-3) مقایسه نتایج مدلسازی و آزمایشات عملی در دمای ثابت oC60 و فشار متغیر 59

شکل (4-4) مقایسه نتایج مدلسازی و آزمایشات عملی در فشار ثابت 1 بار و دمای متغیر 60

شکل (5-1) سرعت همگرایی الگوریتم ژنتیک لینک شده باMATLAB Simulink ُُُ 64

شکل(5-2) ماکزیمم توان به ازای مقادیر مختلف فشار آند و کاتد. دمای کارکردی پیل ثابت و برابر دمای بهینه oC75 67

شکل (5-3) ماکزیمم توان پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابرمقادیر بهینه 68

شکل (5-4) منحنی های پلاریزاسیون پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه 68

شکل (5-5) ماکزیمم توان پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشار کاتد و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه 69

شکل (5-6) منحنی های پلاریزاسیون پیل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشارکاتد و دمای کارکردی پیل سوختی ثابت و برابر مقادیر بهینه 70

شکل (5-7) ماکزیمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف آند. فشار کاتد ثابت و برابر فشار بهینه کاتد 71

شکل (5-8) ماکزیمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف کاتد. فشار آند ثابت و برابر فشار بهینه آند 71

شکل (ب-1) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5 بار 95

شکل (ب-2) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار 96

شکل (ب-3) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 4 بار 97

شکل (ب-4) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار 98

شکل (ب-5) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 3 بار 99

شکل (ب-6) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار 100

شکل (ب-7) بیشینه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 2 بار 101

فهرست جداول

جدول (3-1) دامنه مقادیر در نظر گرفته شده برای پارامترها 49

جدول (3-2) مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک 50

جدول (4-1) مشخصات MEA مورد استفاده 58

جدول (4-2) مقادیر پارامترهای هندسی و نرخ جریان ورودی در دو طرف 60

جدول (4-3) مقادیر پارامترهای مدلسازی پیل سوختی پلیمری 61

جدول (5-1) مقادیر بهینه به دست آمده از الگوریتم ژنتیک برای پارامتر های فرآیندی 64

جدول (5-2) مقایسه مقادیر بهینه بدست آمده  با آزمایشات عملی سلیمان و همکارش ]1[ 65

جدول (ب-1) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5 بار 85

جدول (ب-2) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار 86

جدول (ب-3) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 4 بار 87

جدول (ب-4) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار 88

جدول (ب-5) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 3 بار 89

جدول (ب-6) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار 90

جدول (ب-7) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 2 بار 91

جدول (ب-8) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/1 بار 92

جدول (ب-9) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 1 بار 93

جدول (ب-10) مقادیر ماکزیمم توان برای دماها و فشارهای کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/0 بار 94

لیست علائم و اختصارات

 

سطح (cm2)

غلضت مولی (mol cm-3)

ضریب نفوذ (cm2 s-1)

پتانسیل الکتریکی (V)

ثابت فارادی (96,487 C mol-1)

ارتفاع کانال (cm)

چگالی جریان (A cm-2)

چگالی جریان (A cm-2)

چگالی جریان مرجع (A cm-2)

قابلیت نفوذ

وزن مولکولی (kg mol-1)

نرخ جریان مولی (kg cm-2 s-1)

فشار (Pa)

ثابت جهانی گازها (8.314 J mol-1 K-1)

نرخ مصرف (mol s-1cm-2)

دما (K)

سرعت سیال در کانال (cm s-1)

سرعت در راستای عمود بر صفحه غشا (cm s-1)

ولتاژ سلول (V)

مختصات راستای کانال (cm)، کسر مولی

مختصات عمود بر صفحه غشا (cm)

ضریب خالص انتقال آب، ضریب انتقال بار

ویسکوزیته گاز (kg m-1s-1)

پتانسیل اتلافی (v)

چگالی (kg m-3)

ویسکوزیته سینماتیکی (cm2 s-1)

بالا نویس

شمارنده

مقدار مرجع

مقدار موثر

زیر نویس

کانال

مقدار موثر

سمت آند

سمت کاتد

هیدروژن

آب

اکسیژن