تحلیل آزمایشگاهی و عددی تاثیر عرض شانه و شکل هندسی کانال‌های گاز بر عملکرد سلول سوختی با غشاء تبادل پروتون

نوع مقاله : سایر مقالات

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

3 استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تالین تک، استونی

4 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

10.22044/jsfm.2020.9332.3108

چکیده

در مقاله حاضر، تاثیر تغییر شکل هندسی دیواره های جانبی کانال های گاز آند و کاتد و نیز تغییر اندازه عرض ناحیه شانه بر عملکرد یک سلول سوختی با غشاء تبادل پروتون مطالعه شده است. در بررسی عددی، جهت گسسته سازی معادلات حاکم از روش عددی حجم محدود بهره گرفته شده است. در ابتدا، عرض ناحیه شانه یا به عبارتی صفحه بای پولار بررسی گردیده است. بدین منظور پارامتر مذکور جهت عدم افزایش در مصرف مواد گران قیمت در تولید پیل سوختی، به تدریج کاهش یافته است. نتایج نشان می دهند که در عرض b=0.4 mm عملکرد مطلوب حاصل شده و تراکم جریان الکتریکی خروجی ماکزیمم مقدار را دارا بوده و نسبت به حالت پایه حدود 10درصد بازدهی را افزایش داده است. همچنین تاثیر تبدیل کانال های گاز آند و کاتد از حالت مستقیم مرسوم به حالت های سینوسی مختلف نیز بررسی شده است. نتایج حاکی است که در کانال های گاز با دیواره های سینوسی، مسیر حرکت مواد واکنش دهنده افزایش یافته و به تبع آن میزان نفوذ آنها به لایه های کاتالیست برای وقوع واکنش الکتروشیمیایی بیشتر شده و در نتیجه عملکرد پیل سوختی بهبود می یابد. نهایتا جهت اعتباردهی به کار عددی، از نتایج آزمایشگاهی نیز بهره گرفته شده است که بیانگر تطابق مطلوب بین آنهاست.

کلیدواژه‌ها


[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) Threedimensional 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] Ahmadi N, Rezazadeh S, Dadvand A, Mirzaee I (2017) Study of the effect of gas channels geometry on the performance of polymer electrolyte membrane fuel cell. periodica polytechnica chemical engineering. Period Polytech-Chem 62(1).
[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] Pourmahmud N, Rezazadeh S, Mirzaei I, Motalleb S (2012) A computational study of PEMFC with conventional and deflected MEA. J Mech Sci Technol 26(9): 2959-2968.
 [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] Rajabian H, Amiri H, Rahimi M, Marashi SMB, Arab Solghar A (2015) Experimentaland numerical analysis of PEM fuel cell performance with a new helically symmetrical flow channel. Journal of Solid and Fluid Mechanics. Shahrood university.
[17] Atyabi SA, Afshari E (2013) Effect of GDL porosity and pressure on the PEM fuel cell performance with honeycomb flow-field. Journal of Solid and Fluid Mechanics. Shahrood university.
[18] Sheikhmohammadi A, Mirzaee I, Pormahmod N, Ahmadi N (2019) Influence of gas channels and gas diffusion layers configuration on the performance of polymer electrolyte membrane fuel cell. Journal of Solid and Fluid Mechanics. Shahrood university.
[19] Dewan HA, Hyung JS (2006) Effects of channel geometrical configuration and shoulder width on PEMFC performance at high current density. J Power Sources 162(1): 327-339.
[20] 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: 369-375.
[21] 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.