18199

2011 دكتري

دكتري

مهندسي شيمي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1401

چهارده، 118، 18ص. : مصور، جدول، نمودار

1401/11/04

كتابنامه

مهندسي شيمي

مهندسي شيمي

1401/11/11

2900235

طراحي مناسب ميدان‌هاي جريان يكي از عوامل مهمي است كه مستقيماً بر عملكرد پيل‌هاي سوختي غشاي تبادل پروتون تأثير مي‌گذارد. ميدان‌هاي جريان نقش مهمي در انتقال مناسب گازهاي واكنش‌دهنده بر روي سطوح الكترود دارند. اعتقاد بر اين است كه توزيع همگن واكنش‌دهنده‌ها باعث بهبود واكنش الكتروشيميايي، مديريت آب، توزيع يكنواخت چگالي جريان و دما مي‌شود. عدم يكنواختي توزيع جريان ممكن است باعث مسدود شدن مسير جريان و جاري شدن سيلاب در سمت كاتد شود. از طرفي خشك شدن غشاء به دليل عدم يكنواختي توزيع دما است كه باعث افزايش مقاومت غشاء و در نتيجه كاهش رسانايي يوني و طول عمر غشاء مي‌شود. بنابراين، طراحي ميدان جريان كارآمد به‌عنوان يك ايده كاربردي مي‌تواند بر ايجاد اين مشكلات احتمالي غلبه كند كه لزوم اين تحقيق را بر ما آشكار مي‌سازد. در اين تحقيق به‌صورت عددي و آزمايشگاهي به بررسي تاثير هندسه ميدان جريان بر عملكرد پيل سوختي غشاي تبادل پروتون پرداخته شده است. با بررسي تحقيقات و مطالعات انجام شده در مورد هندسه هاي مختلف كانال هاي جريان، يك طرح جديد با الهام از طرح هاي مارپيچ و موازي براي افزايش انتقال جرم، مديريت آب و در نهايت افزايش عملكرد پيل پيشنهاد شده است. كاهش افت فشار و توزيع يكنواخت¬تر واكنش دهنده ها در ميدان هاي جريان به عنوان معيارهاي اساسي در طراحي درنظر گرفته شده است. براي دستيابي به اين اهداف، مدل‌هاي سه بعدي پيل سوختي غشاء تبادل پروتون با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي براي ميدان‌هاي جريان جديد(كه نوع V دندانه‌دار ناميده شده است) و رايج (مارپيچ، موازي و تركيب سري مارپيچ- موازي) تجزيه و تحليل شده اند. نتايج نشان داد كه افت فشار در طرح جديد نسبت به ساير موارد كمتر و توزيع سرعت نيز يكنواخت‌تر است. همچنين، نتايج نشان داد كه محتواي آب غشا در طرح V دندانه‌دار بيشتر از طرح‌هاي رايج است كه اين امر باعث افزايش هدايت پروتوني غشاء مي‌شود. علاوه بر اين، كانال هاي جريان پيشنهادي نسبت به طرح هاي مارپيچ و موازي براي حذف آب مايع عملكرد بهتري دارند، به طوري كه ميزان آب مايع توليد شده در طرح V دندانه‌دار به ترتيب حدود 3/16 درصد و 26/16 درصد كمتر از هندسه مارپيچ و موازي است. زماني كه آب مايع در كانال هاي V دندانه‌دار كاهش مي يابد، اكسيژن بيشتري در سطح الكترود كاتد نفوذ مي كند كه اين موضوع باعث بهبود شدت واكنش الكتروشيميايي، چگالي جريان و عملكرد پيل سوختي مي شود. در نهايت مشخص شد كه استفاده از كانال‌هاي V دندانه‌دار، شار چگالي جريان متوسط در سمت كاتد را در مقايسه با كانال‌هاي مارپيچ و موازي به ترتيب حدود 5/41 % و 88/21 % افزايش مي دهد. همچنين، نتايج منحني پلاريزاسيون به ترتيب افزايش 19/2 % و 5/2 % را در مدل V دندانه‌دار نسبت به كانال‌هاي مارپيچ و موازي نشان داد.

The proper design of the flow fields is one of the important factors that directly effects on the performance of the proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). The flow fields have a significant role in suitable delivery of the reactant gases over the electrode surfaces. It is believed that the homogeneous distribution of the reactants cause to improve the electrochemical reaction, water management, uniform distribution of the current density and temperature. The non-uniformity of the flow distribution may cause to blockage of the flow path and flooding at the cathode side. On the other hand, drying of the membrane is due to the non-uniformity of the temperature distribution, which causes enhancement of the membrane resistant and as a result reduction of the ionic conductivity and the membrane life time. Therefore, designing of the efficient flow field as an applicable idea can overcome these possible problems, which reveals the necessity of this research. In this research, the effect of flow field geometry on the efficiency and performance of proton exchange membrane fuel cell was numerically and experimentally investigated. With consider the carried out studies about the different geometries of channels, a novel design inspired by serpentine and parallel topologies is proposed To increase mass transfer, water management, and cell performance. The principal criteria of this design are focused on pressure drop reduction and a more uniform distribution of the reactants via the flow fields. To achieve these objectives, 3D PEMFC models are analyzed using the computational fluid dynamic (CFD) technique for the novel (called V-Ribbed) and common flow fields. The results showed that the pressure and the velocity distributions are more uniform in the V-Ribbed design compared with the other cases. Also, the results showed that the water content of the membrane in the V-Ribbed design was higher than the conventional designs that leads to increase the proton conductivity of the membrane. In addition, the suggested flow channels have better performance compared to the serpentine and parallel designs for removing liquid water, so that the amount of liquid water produced in the V-Ribbed design is about 16.3% and 16.26% less than the serpentine and parallel geometries. More oxygen penetration at the cathode electrode surface is seen when liquid water within V-Ribbed channels is reduced. This causes to improve the electro chemical reaction rate, current density, and cell efficiency. It is found that using V-Ribbed channels increased the average current flux density on the cathode side about 41.5% and 21.88% compared to serpentine and parallel channels, respectively. Finally, the results of the polarization curve showed an enhancement of 2.19% and 2.5% in V-Ribbed design compared to serpentine and parallel channels.

محسن نصراصفهاني , احمد محب

محسن نصراصفهاني

محسن نصراصفهاني , احمد محب , ابراهيم افشاري