تحلیل آزمایشگاهی و عددی پیل سوختی ‌پلیمری با یک کانال مارپیچ متقارن جدید

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی فوق لیسانس، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان

2 هیات علمی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته

3 گروه فیزیک و گروه پیل سوختی حرارت بالا، دانشگاه ولی‌عصر (عج) رفسنجان، رفسنجان

4 کارشناس آزمایشگاه، گروه فیزیک و گروه پیل سوختی حرارت بالا، دانشگاه ولی‌عصر(عج) رفسنجان، رفسنجان

5 استادیار،گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ولی عصر (عج) رفسنجان، رفسنجان، ایران

چکیده

در این مقاله ابتدا یک پیل سوختی پلیمری با الگوی جدید کانال جریان، با عنوان الگوی کانال مارپیچ متقارن (جدید) طراحی و ساخته‌شده است. پیل ساخته‌شده دارای توان نامی حدود 10 وات، مساحت ناحیه فعال 25 سانتی‌متر مربع و دارای غشاء نفیون-117 می‌باشد. با استفاده از دستگاه تست پیل سوختی اثر دما و رطوبت نسبی گازهای سمت کاتد بر عملکرد آن (نمودار ولتاژ – چگالی جریان پیل) موردبررسی قرارگرفته است. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که پیل ساخته‌شده قادر است ماکزیمم چگالی توان (حدود 45/0 وات بر سانتی‌متر مربع) را تولید نماید. سپس مدل‌سازی عددی سه‌بعدی و کامل پیل سوختی ساخته‌شده (شامل همه 9 لایه پیل سوختی) و در ابعاد واقعی انجام‌شده است. بدین منظور، معادلات دیفرانسیل پاره‌ای همبسته شده غیرخطی بقاء جرم، بقاء اندازه حرکت (مؤمنتم)، بقاء اجزاء، بقاء انرژی و شارژ به همراه روابط سینتیک الکتروشیمیایی در نواحی مختلف پیل به‌صورت الگوی تک ناحیه‌ای و تک فاز (فقط فاز گاز) تدوین و به کمک نرم‌افزار تجاری فلوئنت حل‌شده‌اند. نتایج مدل‌سازی عددی نشان می‌دهد که کانال مارپیچ متقارن (جدید) قادر است حتی در چگالی‌های جریان بالا توزیع دما و غلظت مطلوبی را در سراسر ناحیه فعال ایجاد نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Akhtar N, Qureshi A, Scholta J, Hartnig C, Messerschmidt M, Lehnert W (2009) Investigation of water droplet kinetics and optimization of channel geometry for PEM fuel cell cathodes. Int J Hydrogen Energ 34(7): 3104-3111.

[2] Mench M, Wang C, Ishikawa M (2003) In situ current distribution measurements in polymer electrolyte fuel cells. J Electrochem Soc 150(8): A1052-A1059.

[3] Hontanon E, Escudero M, Bautista C, Garcıa-Ybarra P, Daza L (2000) Optimisation of flow-field in polymer electrolyte membrane fuel cells using computational fluid dynamics techniques. J Power Sources 86(1): 363-368.

[4] Grujicic M, Zhao C, Chittajallu K, Ochterbeck J (2004) Cathode and interdigitated air distributor geometry optimization in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. Mat Sci Eng B-Solid 108(3): 241-252.

[5] Manso AP, Marzo FF, Mujika MG, Barranco J, Lorenzo A (2011) Numerical analysis of the influence of the channel cross-section aspect ratio on the performance of a PEM fuel cell with serpentine flow field design. Int J Hydrogen Energ 36(11): 6795-6808.

[6] Watkins DS, Dircks KW, Epp DG (1992) Fuel cell fluid flow field plate. Google Patents.

[7] Yang WJ, Wang HY, Kim YB (2014) Channel geometry optimization using a 2D fuel cell model and its verification for a polymer electrolyte membrane fuel cell. Int J Hydrogen Energ 39(17): 9430-9439.

[8] Jaruwasupant N, Khunatorn Y (2011) Effects of difference flow channel designs on proton exchange membrane fuel cell using 3-D model. Energy Procedia 9: 326-337.

[9] Liu HC, Yan WM, Soong CY, Chen F (2005) Effects of baffle-blocked flow channel on reactant transport and cell performance of a proton exchange membrane fuel cell. J Power Sources 142(1): 125-133.

[10] Wang XD, Duan YY, Yan WM (2007) Novel serpentine-baffle flow field design for proton exchange membrane fuel cells. J Power Sources 173(1): 210-221.

[11] Atyabi SA, Afshari E, Adami M (2014) Effects of baffle-blocked flow cathode channel on reactant transport and cell performance of a PEMFC. Modares Mech Eng 14(4): 158-166. (In Persian)

[12] Heidari S, Afshari E (2015) Comparison between different models of polymer membrane fuel cell using a metal foam as a flow distributor. Modares Mech Eng 15:(3). (In Persian)

[13] Taccani R, Zuliani N (2011) Effect of flow field design on performances of high temperature PEM fuel cells: Experimental analysis. Int J Hydrogen Energ 36(16): 10282-10287.

[14] Wang XD, Duan YY, Yan WM, Peng XF (2008) Local transport phenomena and cell performance of PEM fuel cells with various serpentine flow field designs. J Power Sources 175(1): 397-407.

[15] Wang XD, Zhang XX, Yan WM, Lee DJ, Su A (2009) Determination of the optimal active area for proton exchange membrane fuel cells with parallel, interdigitated or serpentine designs. Int J Hydrogen Energ 34(9): 3823-3832.

[16] Chen YS, Peng H (2011) Predicting current density distribution of proton exchange membrane fuel cells with different flow field designs. J Power Sources 196(4): 1992-2004.

[17] Ramos-Alvarado B, Hernandez-Guerrero A, Juarez-Robles D, Li P (2012) Numerical investigation of the performance of symmetric flow distributors as flow channels for PEM fuel cells. Int J Hydrogen Energ 37(1): 436-448.

[18] Aiyejina A, Sastry MKS (2011) PEMFC flow channel geometry optimization: A review. J Fuel Cell Sci Tech 9(1): 011011-011011.

[19] Manso AP, Marzo FF, Barranco J, Garikano X, Garmendia Mujika M (2012) Influence of geometric parameters of the flow fields on the performance of a PEM fuel cell. A review. Int J Hydrogen Energ 37(20): 15256-15287.

[20] Liu H, Li P, Juarez-Robles D, Wang K, Hernandez-Guerrero A (2014) Experimental study and comparison of various designs of gas flow fields to PEM fuel cells and cell stack performance. Front Energy Res 2.

[21] Hassanzadeh H, Ferdowsara A, Barzagary M (2014) Modeling of two phase flow in the cathode of gas diffusion layer of proton exchange membrane fuel cell. Modares Mech Eng 14(2): 55-62. (In Persian)

[22] Obayopo SO, Bello-Ochende T, Meyer JP (2012) Modelling and optimization of reactant gas transport in a PEM fuel cell with a transverse pin fin insert in channel flow. Int J Hydrogen Energ 37(13): 10286-10298.

[23] Khazaee I, Sabadbafan H (2016) Numerical study of changing the geometry of the flow field of a PEM fuel cell. Heat Mass Transfer 52(5): 993-1003.

[24] Cao TF, Mu YT, Ding J, Lin H, He YL, Tao WQ (2015) Modeling the temperature distribution and performance of a PEM fuel cell with thermal contact resistance. Int J Heat Mass Tran 87: 544-556.

[25] Afshari E, Jazayeri S (2009) Analyses of heat and water transport interactions in a proton exchange membrane fuel cell. J Power Sources 194(1): 423-432.

[26] Khazaee I (2013) Effect of placing different obstacles in flow fields on performance of a PEM fuel cell: numerical investigation and experimental comparison. Heat Mass Transfer 49(9): 1287-1298.

[27] Jeon D, Greenway S, Shimpalee S, Van Zee J (2008) The effect of serpentine flow-field designs on PEM fuel cell performance. Int J Hydrogen Energ 33(3): 1052-1066.

[28] O'Hayre RP, Cha SW, Colella W, Prinz FB (2006) Fuel cell fundamentals. John Wiley & Sons, New York.