تاثیر کانال‌های گاز و پیکربندی لایه‌های انتشار گاز بر روی عملکرد غشای الکترولیتی پلیمر سلول سوختی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی حرفه‌ای شهید بهشتی، ارومیه، ایران

چکیده

در این کار کانال های گاز و پیکربندی لایه های انتشار گاز و تاثیر آنها روی عملکرد غشاء الکترولیتی پلیمر سلول سوختی تمرکز شده است. در ابتدا اثر برجسته کردن لایه نفوذ گاز مورد مطالعه قرار می گیرد. به این منظور ، شعاع بر جسته به تدریج افزایش می یابد. عملکرد مطولب در شعاع 0/45mm = R به دست آمده است. علاوه بر این سرعت ورودی جریان گاز بررسی شده است. نتایج نشان داده زمانی که سرعت ورودی جریان گاز تقریباً روی 2/0 تنظیم می شود، نوع انتشار بهینه می باشد. همچنین ارتفاع کانال ها برای پیدا کردن ارتفاع کانال مطلوب مورد بررسی قرار گرفته است. مشخص شده است که، عملکرد بالاتر وقتی به دست می آید که ارتفاع کانال حدود h= 1mm و R=0/45mm باشد. نتایج نشان می دهد که با ایجاد برجستگی در لایه نفوذ گاز، چگالی جریان خروجی افزایش می یابد. برای تایید اعتبار نتایج عددی، مجموعه ای از آزمایش های تجربی انجام می شودکه مطابقت مطلوب بین آنها صورت می گیرد.
کلمات کلیدی : لایه نفوذ گاز ، پیل سوختی پلیمری، شبیه سازی عددی، پیکربندی هندسی.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] William Grubb (1959) Proceedings of the 11th Annual Battery Research and Development Conference, PSC Publications Committee, Red Bank, NJ, p. 5, 1957; U.S. Patent No. 2,913,511.

[2] Sandip D, Shimpalee S, Van Zee JW (2000) Three-dimensional numerical simulation of straight channel PEM fuel cells. J Appl Electrochem 30(2):135-146.

[3] Torsten B, Djilali N (2003) Three-dimensional computational analysis of transport phenomena in a PEM fuel cell—a parametric study. J Power Sources 124(2): 440-452.

[4] Hasan AD, Sung HJ (2006) Effects of channel geometrical configuration and shoulder width on performance at high current density. J Power Sources 162(1):327-339.

[5] Majidifar S, Mirzaei I, Rezazadeh S, Mohajeri P, Oryani H (2011) Effect of gas channel geometry on performance of PEM fuel cells. Aust J Basic Appl Sci 5(5): 943-954.

[6] Pourmahmoud N, Rezazadeh S, Mirzaee I, Heidarpoor V (2011) Three-dimensional numerical analysis of proton exchange membrane fuel cell. J Mech Sci Technol 25(1): 2665.

[7] Ahmadi N, Pourmahmoud N, Mirzaee I, Rezazadeh S (2011) Three-dimensional computational fluid dynamic study of effect of different channel and shoulder geometries on cell performance. Aust J Basic Appl Sci 5(12): 541-556.

[8] Ahmadi N, Rezazadeh S, Mirzaee I, Pourmahmoud N (2012) Three-dimensional computational fluid dynamic analysis of the conventional PEM fuel cell and investigation of prominent gas diffusion layers effect. J Mech Sci Technol 26(8): 2247-2257.

[9] Lee CS, Yi SC (2004) Numerical methodology for proton exchange membrane fuel cell simulation using computational fluid dynamics technique. Korean J Chem Eng 21(6): 1153-1160.

[10] Yang TH, Park GG, Pugazhendhi P, Lee WY, Kim CS (2002) Performance improvement of electrode for polymer electrolyte membrane fuel cell. Korean J Chem Eng 19(3): 417-420.

[11] Molaeimanesh G, Akbari MH (2014) Water droplet dynamic behavior during removal from a proton exchange membrane fuel cell gas diffusion layer by Lattice-Boltzmann method. Korean J Chem Eng 31(4):598-610.

[12] Carral C, Mélé P (2014) A numerical analysis of stack assembly through a 3D finite element model. Int J Hydrogen Energ 39(9):4516-4530.

[13] Jung CY, Kim JJ, Lim SY, Yi SC (2007) Numerical investigation of the permeability level of ceramic bipolar plates for polymer electrolyte fuel cells. J Ceram Process Res 8(5): 369.

[14] Wang L, Husar A, Zhou T, Liu H (2003) A parametric study of PEM fuel cell performances. Int J Hydrogen Energ 28(11): 1263-1272.

[15] Ahmadi N, Rezazadeh S, Mirzaee I (2015) Study the effect of various operating parameters of proton exchange membrane. Period Polytech-Chem (3): 221.

[16] He Y, Chen C, Yu H, Lu G (2017) Effect of temperature on compact layer of Pt electrode in by first-principles molecular dynamics calculations. Appl Surf Sci 392:109-116.

[17] Yan WM, Li HY, Weng WC (2017) Transient mass transport and cell performance of a PEM fuel cell. Int J Heat Mass Tran 107:646-656.

[17] Jian QF, Ma GQ, Qiu XL (2014) Influences of gas relative humidity on the temperature of membrane in with interdigitated flow field. Renew Energ 62: 129-136.

[18] Ebrahimi S, Ghorbani B, Vijayaraghavan K (2017) Optimization of catalyst distribution along channel through a numerical two-phase model and genetic algorithm. Renew Energ 113: 846-854.

[19] A M, El-Hameed MA, Farahat MA (2017) Effective parameters’ identification for polymer electrolyte membrane fuel cell models using grey wolf optimizer. Renew Energ 111: 455-462.

[20] El-Fergany AA (2018) Extracting optimal parameters of PEM fuel cells using salp swarm optimizer. Renew Energ 119: 641-648.

[21] Esfahani Moghadam RA, Gavidia LMR, García G, Pastor E, Specchia S (2017) Highly active platinum supported on Mo-doped titanium nanotubes suboxide (Pt/TNTS-Mo) electrocatalyst for oxygen reduction reaction in. Renew Energ 120: 209-219.

[22] Huang L, Chen J, Z Liu, Becherif M (2018) Adaptive thermal control for PEMFC systems with guaranteed performance. Int J Hydrogen Energ 43(25): 11550-11558.

[23] Ko D, Doh S, Park HS, Kim MH (2017) The effect of through plane pore gradient GDL on the water distribution of PEMFC. Int J Hydrogen Energ 43(4): 2369-2380.

[24] Zhang Q, Xu L, Li J, Ouyang M (2018) Performance prediction of proton exchange membrane fuel cell engine thermal management system using 1D and 3D integrating numerical simulation. Int J Hydrogen Energ 43(3): 1736-1748.

[25] Patankar S (1980) Numerical heat transfer and fluid flow. 

[26] رجبیان، ح، امیری ح، رحیمی، م، مرعشی، س­م­ب، عرب سلغار ع (1395) تحلیل آزمایشگاهی و عددی پیل سوختی ‌پلیمری با یک کانال مارپیچ متقارن جدید. مجله مکانیک سازه­ها و شاره­ها 300-258 :(6)4.

[27] افشاری، ا، پیرکندی، ج (1393) مقایسه عملکرد            پیل سوختی غشا پلیمری با کانال ساده و فوم فلزی به    عنوان توزیع کننده جریان. مجله مکانیک سازه­ها و شاره­ها       136-123 :(3)4.