26
3-2 پیدایش الگوریتم ژنتیک 27
3-3 الگوریتم ژنتیک 28
3-3-1 عملگرهای اصلی GA 29
3-3-1-1 روشهای 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 روشهای جایگزینی 39
3-3-4 معیار همگرایی 40
3-3-5 معیار عملکرد 41
3-3-6 تفاوت GA با روشهای 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 استفاده 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 استفاده 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
C60 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
C75 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
فعال
حالت پایه
کاهش اهمی
کلی
پخش آند
پخش کاتد
اختصارات
GA      الگوریتم ژنتیک
MEA   مجموعه غشا
CFD دینامیک سیالات محاسباتی

پیش‌ گفتار

دو مشكل اساسی در استفاده از سوخت‌های فسیلی كه بیش از %80 تقاضای انرژی مورد مصرف را تشكیل می‌دهند وجود دارد. مشكل اول در محدودیت آنهاست به‌طوری‌كه در آینده‌ای نزدیك این سوخت‌ها به پایان می‌رسند. براساس تخمینی كه كمپانی‌های نفتی ارائه كرده‌اند، بین سالهای 2015 تا 2030 میزان مصرف نفت خام، گاز‌طبیعی و سوخت‌های فسیلی به بیشترین مقدار خود می‌رسند و از آن پس منابع فسیلی با كاهش چشمگیری روبرو خواهند بود.
مشكل دوم در استفاده از سوخت‌های فسیلی، مشكل زیست محیطی آنان است مانند تغییرات آب‌و‌هوایی، گرم‌شدن كلی محیط، ذوب شدن یخ‌های موجود در كره زمین، ایجاد باران‌های اسیدی، نقصان لایه ازن، خرابی مناطق كشاورزی و جنگلها بعلت استخراج بیش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشكل آلایندگی و آلودگی محیط زیست كه شرایط زندگی را نابسامان خواهد كرد. پیش از سال 1970، سیستم‌های انرژی هیدروژنی برای رفع این دو مشكل اساسی پیشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسیاری در جهت بكار‌گیری این سیستم‌ها و توسعه آنان تلاش كردند.
هیدروژن یك انرژی قابل حمل با خصوصیات منحصر به فرد است. سوختی پاك با راندمان خروجی بالا، سبك و در دسترس است. یكی از خصوصیات ویژه آن، نوع كاربرد آن در فرآیند‌های الكترو‌شیمی است كه می‌تواند در صورت كاربرد در پیل‌های سوختی، انرژی الكتریكی تولید كند كه در مقایسه با انرژی سوخت‌های فسیلی راندمان بسیار بالاتر و مزایای ویژه‌ای دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بكارگیری این سیستم‌ها قوت چندانی گرفته است.