واژه های کليدی :پيل سوختی پليمری، الگوريتم ژنتيک، بهينه سازی، پارامتر های فرآيندی، ماکزيموم توان فهرست مطالبفصل اول:11-1 پيش گفتار21-2 پيل سوختي چيست ؟21-3 بهينه سازی پارامترهای پيل سوختی پليمری41-3-1 بهينه سازی پارامترهای فرآيندی41-3-2 بهينه سازی در طراحی و ساخت پيل51-4 پژوهشهای انجام شده در مورد بهينه سازی پارامترهاي فرآيندي پيل سوختی پليمری61-5 بهينه سازی پارامترهاي فرآيندي پيل سوختی پليمری8فصل دوم:112-1 تاريخچه مختصري از پيل‌هاي سوختي122-2 انواع پيلهای سوختی :152-2-1 پيل‌هاي سوختي آلكاليني162-2-2 پيلهای سوختی پليمری162-2-3 پيل‌هاي سوختي اسيدفسفريكي162-2-4 پيل‌هاي سوختي كربنات مذاب172-2-5 پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد172- 3 طريقة عملكرد پيل سوختي پليمري172-4 اهميت نيازمندي به پيل‌هاي سوختي202-4-1 بازدهي بالا202-4-2 تنظيم سيستم بر حسب نياز202-4-3 سازگاري با قوانين محيط زيست202-4-4 انعطاف پذيري نسبت به سوخت212-4-5 افزايش توليد و كاهش توزيع212-4-6 عدم نياز به تعمير212-4-7 عدم انتشار يا حداقل پراكندگي انرژي212-4-8 سادگي ساختار222-4-9 سايز و ابعاد كوچك222-5 كاربردهاي پيل سوختي222-5-1 سيستم‌هاي قدرت232-5-2 سيستم‌هاي حمل‌ونقل242-5-3 سيستم‌هاي پرتابل242-5-4 دستگاه‌هاي صوتي و تصويري242-5-5 سيستم‌هاي نظامي24فصل سوم:253-1 مقدمه263-2 پيدايش الگوريتم ژنتيک273-3 الگوريتم ژنتيک283-3-1 عملگرهاي اصلي GA293-3-1-1 روشهاي کدگذاري293-3-1-2 جمعيت اوليه313-3-1-3 تابع برازندگي323-3-1-4 انتخاب323-3-1-4-1 انتخاب چرخ گردان (RWS)333-3-1-4-2 انتخاب رقابتی343-3-1-5 ادغام353-3-1-6 جهش373-3-1-6-1 احتمال جهش ))383-3-1-7 ساير عملگرهای ژنتيکی383-3-2 الگوريتم ژنتيک با نخبه سالاري ساده383-3-3 روشهاي جايگزيني393-3-4 معيار همگرايي403-3-5 معيار عملکرد413-3-6 تفاوت GA با روشهاي مرسوم بهينه‌سازي ]21[413-3-7 نقاط قوت GA423-3-8 نقاط ضعف GA423-3-9 در چه مواقعی از GA استفاده میشود433-3-10 کاربردهای GA433-4 بهينه سازی پارامتر های فرآيندی پيل سوختی با استفاده از الگوريتم ژنتيک443-4-1 استفاده از حل تحليلی در الگوريتم ژنتيک حاضر443-4-1-1 استفاده از آزمايشات عملي453-4-1-2 استفاده از حلCFD463-4-1-3 استفاده از حل تحليلي463-4-2 تعريف تابع برازندگی473-4-3 برنامه نويسی در محيط Manuscript File نرم افزار MATLAB483-4-4 استفاده از الگوريتم ژنتيک نخبه گرا483-4-4-1 کدگذاری مقادير پارامترها483-4-4-2 انتخاب تعداد جمعيت اوليه و تعداد نسل ها493-4-4-3 اعمال اپراتور پيوند و جهش در الگوريتم ژنتيک حاضر503-4-5 استفاده از Lookup Table در محيط MATLAB Simulink503-4-6 دليل انتخاب 3 پارامتر حاضر جهت بهينه‌سازي52فصل چهارم:534-1 مدلسازی پيل سوختی پليمری با استفاده از حل تحليلی544-1-1 مدلسازی کانال544-1-2 مدلسازی MEA554-1-3 متدولوژی حل معادلات574-2 معتبر سازی مدلسازی با آزمايشات عملی574-3 پارامترهای ثابت مدلسازی61فصل پنجم:625-1 مقادير برازندگي های به دست آمده از حل تحليلي635-2 اجراي الگوريتم ژنتيک لينک شده با MATLAB Simulink635-3 تاثير دما بر عملکرد پيل سوختي655-4 تاثير فشار بر عملکرد پيل سوختی665-5 اهميت فشار آند نسبت به فشار کاتد675-6 نمودارهای سه بعدی دما-فشار70فصل ششم:726-1 نتيجه گيري736-2 پيشنهادات74فهرست مراجع75پيوست الف78برنامه MATLAB لينک شده با MATLAB Simulink78پيوست ب84جداول Simulink و منحنی های دو بعدی و سه بعدی بيشينه توان84 فهرست اشکالفهرست اشکال11شكل (1-1) ايجاد جريان الكترسيته مستقيم از پيل سوختي در يك مرحله ]2[3شكل (2-1) روند توسعه پيل سوختي] 2[12شكل (2-2) پيل‌هاي سوختي در آپولو ] 2 [13شكل (2-3) خودرويي با سوخت هيدروژني ]2[14شكل (2-4) انتشارات ثبت شده سالانه در جامعه جهانی ] 2 [15شكل (2-5) انواع پيل سوختي همراه با نوع واكنش و دماي كاركرد آنان ]2[18شكل (2-6) اساس عملكرد پيل سوختي پليمري ]2[19شكل (2-7) مجموعه‌اي از كاربردهاي مختلف پيل‌هاي سوختي ]2[23شكل (3-1) طبقه‌بندي كلي روشهاي بهينه‌سازي] 19[27شكل(3-2 )نمودار گردشي الگوريتم ژنتيک30شكل (3-3) انتخاب چرخ‌‌گردان34(شکل 3-4) پيوند يک نقطه‌اي36شکل (3-5) الگوريتم ژنتيک با بکارگيری مفهوم نخبه‌سالاري40شكل (3-6) تعيين مقدار ماکزيموم بعنوان تابع برازندگی47شکل (3-7) نمودارالگوريتم ژنتيک بکار گرفته شده در تحقيق حاضر49شکل (3-8) بلوک دياگرام مورد استفاده درفشار جزيي آند 5 بار52شکل (4-1) روند حل معادلات پيل سوختی57شکل (4-2) پيل سوختی و دستگاه تست پژوهشگاه دانشگاه58شکل (4-3) مقايسه نتايج مدلسازی و آزمايشات عملی در دمای ثابت oC60 و فشار متغير59شکل (4-4) مقايسه نتايج مدلسازی و آزمايشات عملی در فشار ثابت 1 بار و دمای متغير60شکل (5-1) سرعت همگرايي الگوريتم ژنتيک لينک شده باMATLAB Simulinkُُُ64شکل(5-2) ماکزيمم توان به ازای مقادير مختلف فشار آند و کاتد. دمای کارکردی پيل ثابت و برابر دمای بهينه oC7567شکل (5-3) ماکزيمم توان پيل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پيل سوختی ثابت و برابرمقادير بهينه68شکل (5-4) منحنی های پلاريزاسيون پيل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پيل سوختی ثابت و برابر مقادير بهينه68شکل (5-5) ماکزيمم توان پيل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشار کاتد و دمای کارکردی پيل سوختی ثابت و برابر مقادير بهينه69شکل (5-6) منحنی های پلاريزاسيون پيل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشارکاتد و دمای کارکردی پيل سوختی ثابت و برابر مقادير بهينه70شکل (5-7) ماکزيمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف آند. فشار کاتد ثابت و برابر فشار بهينه کاتد71شکل (5-8) ماکزيمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف کاتد. فشار آند ثابت و برابر فشار بهينه آند71شکل (ب-1) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5 بار95شکل (ب-2) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار96شکل (ب-3) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 4 بار97شکل (ب-4) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار98شکل (ب-5) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 3 بار99شکل (ب-6) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار100شکل (ب-7) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 2 بار101 فهرست جداولجدول (3-1) دامنه مقادير در نظر گرفته شده برای پارامترها49جدول (3-2) مقادير پارامترهای الگوريتم ژنتيک50جدول (4-1) مشخصات MEA مورد استفاده58جدول (4-2) مقادير پارامترهای هندسی و نرخ جريان ورودی در دو طرف60جدول (4-3) مقادير پارامترهای مدلسازی پيل سوختی پليمری61جدول (5-1) مقادير بهينه به دست آمده از الگوريتم ژنتيکبرای پارامتر های فرآيندی64جدول (5-2) مقايسه مقادير بهينه بدست آمده با آزمايشات عملی سليمان و همکارش ]1[65جدول (ب-1) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5 بار85جدول (ب-2) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار86جدول (ب-3) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 4 بار87جدول (ب-4) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار88جدول (ب-5) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 3 بار89جدول (ب-6) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار90جدول (ب-7) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 2 بار91جدول (ب-8) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/1 بار92جدول (ب-9) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 1 بار93جدول (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 مولی (mol cm-3)ضريب نفوذ (cm2 s-1)پتانسيل الکتريکی (V)ثابت فارادی (96,487 C mol-1)ارتفاع کانال (cm)چگالی جريان (A cm-2)چگالی جريان (A cm-2)چگالی جريان مرجع (A cm-2)قابليت نفوذوزن مولکولی (kg mol-1)نرخ جريان 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 سيال در کانال (cm s-1)سرعت در راستای عمود بر صفحه غشا (cm s-1)ولتاژ سلول (V)مختصات راستای کانال (cm)، کسر مولیمختصات عمود بر صفحه غشا (cm)ضريب خالص انتقال آب، ضريب انتقال بارويسکوزيته گاز (kg m-1s-1)پتانسيل اتلافی (v)چگالی (kg m-3)ويسکوزيته سينماتيکی (cm2 s-1)بالا نويس شمارندهمقدار مرجعمقدار موثرزير نويسکانالمقدار موثرسمت آندسمت کاتدهيدروژنآباکسيژنفعالحالت پايهکاهش اهمیکلیپخش آندپخش کاتداختصارات GA الگوريتم ژنتيکMEA مجموعه غشاCFDديناميک سيالات محاسباتیفصل اول: مقدمه 1-1 پيش گفتاردو مشكل اساسي در استفاده از سوخت‌هاي فسيلي كه بيش از %80 تقاضاي انرژي مورد مصرف را تشكيل می‌دهند 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 فسيلی به بيشترين مقدار خود مي‌رسند و از آن پس منابع فسيلی با كاهش چشمگيری 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 تبديلانرژی گرمايي به انرژي مكانيكي(4) بكار گيري انرژي مكانيكي در ژنراتور و توليد جريان الكتريسيتهيك 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 متانولوجود 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 سازی پارامترهای پيل سوختی پليمریدر حالت کلی دو نوع بهينه سازی در پيل سوختی پليمری ميتوان انجام داد :بهينه سازی پارامترهای فرآيندی يا پارامتر های عملکردیبهينه سازی در طراحی و ساخت پيل 1-3-1 بهينه سازی پارامترهای فرآيندیبهينه سازی در پارامترهای متغير شامل پارامترهايی از قبيل دما ، فشار کارکرد ، نسبت مصرف سوخت در کاتد به آند ، دمای مرطوبيت ، غلظت يا مولاريته سوخت ، سينتيک واکنش و ..... که از ميان اين پارامتـرها تعدادی قابل کنترل و تعدادی غير قابل کنترل اند و يا به عبارت صحيح تر کنترل برخی از پارامــــــترها هزينه زيادی 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 اين چهار پارامتر عبارتند از :دمای کارکرد پيل سوختی که معمولا بين 60 تا 80 درجه سانتی گراد متغيراستدرصد رطوبت پيل سوختیميزان مصرف اکسيژن در کاتد به مصرف هيدروژن در آندفشار سيستم در سمت آندفشار سيستم در سمت کاتد 1-3-2 بهينه سازی در طراحی و ساخت پيلپيل سوختی از قسمتهای مختلفی تشکيل شده است که در هر قسمت می توان بررسی هايی در جهت افزايش راندمان صورت داد که از آن جمله می توان به موارد زير اشاره کرد :استفاده از مواد جايگزين و کار آمدتر موضوعی است که بسياری از محققان در بررسی آن می کوشند . در حالت کلی استفاده از ابعاد مناسب ، استفاده از ماده مناسب و يک پيکر بندی صحيح برای پيل از جمله مـواردی است که در اين قسمت قابل بررسی است.پژوهشهای بســياری در زمـينه يافتن ابعاد مناسب برای کانالهای تعبيه شده در صفحات الکتـرود موجود اسـت که به روشهای مختلفی همچون تحليلی ، تجربی ، شبيه سازی که در قالب ديناميک سيالات مورد مطالـعه قرار ميگرد و ترکيب تحليلی و تجربی به تحقيق پرداخته و هر کدام ابعادی مناسب پيشنهاد می کنند که بيــشترين راندمان در قدرت خروجی را دارا می باشند. 1-4 پژوهشهای انجام شده در مورد بهينه سازی پارامترهاي فرآيندي پيل سوختی پليمریسليمان[1] و همکارش ]1[ در سال 2007 از روش تاگوچي که در سال 1980 توسط خود تاگوچي معرفي شد ، برای بهينه سازی پارامترهای فرآيندی 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 تاگـوچی دو دسته پارامـتر موجود است ، پارامترهای قابل کنترل و پارامترهای 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 مقاديری را بعنوان مقادير بهينه ارائه نمود و ادعا کرد که پيل سوختی در صورتعملکرد اين مقادير بيشترين راندمان خروجی را دارند.