بررسی تجربی تاثیر حالت بهره‌برداری انتهاباز و انتهابسته بر مدیریت آب در استک پیل سوختی پلیمری H2/O2

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 آزمایشگاه تحقیقاتی فناوری پیل سوختی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر ، فریدونکنار، ایران.

2 دانشگاه صنعتی مالک اشتر، آزمایشگاه تحقیقاتی فناوری پیل سوختی، فریدونکنار، ایران.

3 صنعتی نوشیروانی بابل

4 دانشگاه صنعتی مالک اشتر، آزمایشگاه تحقیقاتی پیل سوختی

5 آزمایشگاه تحقیقاتی فناوری پیل سوختی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

مدیریت مصرف گازهای واکنشگر پیل‌های سوختی غشاء پلیمری به سه حالت انتهاباز، برگشت مجدد و انتهابسته طبقه‌بندی می‌گردد. گازهای واکنشگر در حالت انتهابسته به دلیل انباشته شدن گاز بیاثر و آب به صورت تناوبی تخلیه می‌گردند. در این مقاله یک استک پیل سوختی پلیمری با صفحات انتهایی شفاف و طراحی منحصر بفرد برای بررسی مدیریت آب در حالت‌های عملیاتی انتهاباز و انتهابسته، طراحی، ساخت و مونتاژ شد. در این مقاله برای اولین بار بحث مدیریت آب در یک استک پیل سوختی پلیمری انتها بسته آندی و کاتدی با جزییات کامل مربوط به نحوه تشکیل و دفع آب مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داده است تا چگالی جریان 200 میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع آب تشکیل شده به صورت قطرات مجزا بوده و هیچگونه جریان فیلمی و انسداد در کانال مشاهده نمی‌شود. همچنین همانگونه که انتظار میرفت تجمع قطرات و جریان فیلمی در نیمه پایینی بیشتر از نیمه بالایی بوده و لذا کاهش تعداد کانال برای افزایش سرعت و دفع آب در نیمه پایینی میدان شارش گازهای واکنشگر ضروری می‌باشد. همچنین نتایج نشان داده است که برای عملکرد پایدار در حالت انتهابسته حداکثر زمان ممکن برای بسته‌بودن شیرهای خروجی 5 ثانیه و حداقل زمان الزم برای بازبودن آن 5 ثانیه بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental Analysis of Operating Modes Effect of Open-end and Dead-end on Water Management in H2/O2 Proton-Exchange Membrane Fuel Cells Stack

نویسندگان [English]

  • Mazaher Rahimi Esboee 1
  • Ebrahim Alizadeh 2
  • Ali Akbar Ranjbar 3
  • Seyed Majid Rahgoshay 4
  • Sayed Hossein Masrouri Saadat 5
  • Majid Khorshidian 4
1 Fuel Cell Technology Research Laboratory, Malek Ashtar University of Technology, Fereydounkenar, Iran.
2 Fuel Cell Technology Research Laboratory, Malek Ashtar University of Technology, Freydounkenar, Iran.
3 Department of Mechanical Engineering, Babol “Noshiravani” University of Technology, Iran
4 Fuel Cell Technology Research Laboratory, Malek Ashtar University of Technology, Fereydounkenar, Iran.
5 Fuel Cell Technology Research Laboratory, Malek Ashtar University of Technology
چکیده [English]

The management of consumption the reactive gas in proton-exchange membrane fuel cells is classified into three types: open-end, recirculation and dead-end. In dead-end mode, reactant gasses due to accumulating of water and inert gas should be purged alternatively. In this paper a protonexchange membrane fuel cells stack with transparent end plates and a unique design for investigation of water management is designed, manufactured and fabricated. In this paper, for the first time, the discussion of water management in a dead-end anode and cathode proton-exchange membrane fuel cells stack with details of form and remove of water has been investigated. The results have shown that at the current density of lower than 200 mA/cm2, the produced water is in the form of separate droplets and there is no film flow and slug flow of water in the channel. Also, as expected, the accumulation of droplets and film flow in the lower half was more than the upper half and therefore the reduction of the number of channels to increase gas speed and effective water removal in this part was essential. The results have shown that for steady-state operation, the maximum time possible for closing the output valves is 5 seconds and the minimum time required to open it is 5 seconds.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Transparent proton-exchange membrane fuel cells
  • Water film flow
  • Purge time
  • Dead-end mode
  • Voltage variation

مراجع

[1]  H. Liu, P. Li, K. Wang, Optimization of  PEM  fuel cell flow channel dimensions—Mathematic modeling analysis and experimental verification, International Journal of Hydrogen Energy, 38(23) (2013) 9835-9846.
[2]  D. Jeon, S. Greenway, S. Shimpalee, J. Van Zee, The effect of serpentine flow-field designs on PEM fuel cell performance, International journal of hydrogen energy, 33(3) (2008) 1052-1066.
[3]  K.-S. Choi, H.-M. Kim, S.-M. Moon, Numerical studies on the geometrical characterization of serpentine flow-field for efficient PEMFC, International Journal of Hydrogen Energy, 36(2) (2011) 1613-1627.
[4] P. Jithesh, A. Bansode, T. Sundararajan, S.K. Das, The effect of flow distributors on the liquid water distribution and performance of a PEM fuel cell International journal of hydrogen energy, 37(22) (2012) 17158-17171.
[5] J.W. Choi, Y.-S. Hwang, S.W. Cha, M.S. Kim, Experimental study on enhancing the fuel efficiency of  an  anodic  dead-end  mode  polymer  electrolyte membrane fuel cell by oscillating the hydrogen, International journal of hydrogen energy, 35(22) (2010) 12469-12479.
[6] J.W. Choi, Y.-S. Hwang, J.-H. Seo, D.H. Lee, S.W. Cha, M.S. Kim, An experimental study on the purge characteristics of the cathodic dead-end mode PEMFC for the submarine or aerospace applications and performance improvement with the pulsation effects, international journal of hydrogen energy, 35(8) (2010) 3698-3711.
[7] Y.-S. Chen, H. Peng, D.S. Hussey, D.L. Jacobson, D.T. Tran, T. Abdel-Baset, M. Biernacki, Water distribution measurement for a PEMFC through neutron radiography, Journal of Power Sources, 170(2) (2007) 376-386.
[8] A.P. Sasmito, A.S. Mujumdar, Performance evaluation of a polymer electrolyte fuel cell with a dead-end anode: A computational fluid dynamic study, International Journal of Hydrogen Energy, 36(17) (2011) 10917-10933.
[9] Gomez, A. Raj, A.P. Sasmito, T. Shamim, Effect of operating parameters on the transient performance of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack with a dead-end anode, Applied energy, 130 (2014) 692-701.
[10]  J.B. Siegel, D.A. McKay, A.G. Stefanopoulou, D.S. Hussey, D.L. Jacobson, Measurement of liquid water accumulation in a PEMFC with dead-ended anode, Journal of the Electrochemical Society, 155(11) (2008) B1168-B1178.
[11] P. Moçotéguy, F. Druart, Y. Bultel, S. Besse, A. Rakotondrainibe, Monodimensional modeling and experimental study of the dynamic behavior of proton exchange membrane fuel cell stack operating in dead- end mode, Journal of Power Sources, 167(2) (2007) 349-357.
[12] Y. Yang, X. Zhang, L. Guo, H.  Liu,  Overall and local effects of operating conditions in PEM fuel cells with dead-ended anode, International Journal of Hydrogen Energy, 42(7) (2017) 4690-4698.
[13] Z. Wan, J. Liu, Z. Luo, Z. Tu, Z. Liu, W. Liu, Evaluation of self-water-removal in a dead-ended proton exchange membrane fuel cell, Applied energy, 104 (2013) 751-757.
[14] M. Rahimi-Esbo, A. Ramiar, A. Ranjbar, E. Alizadeh, Design, manufacturing, assembling and testing of a transparent PEM fuel cell for investigation of water management and contact resistance at dead- end mode, International Journal of Hydrogen Energy, 42(16) (2017) 11673-11688.
[15]  M. Rahimi-Esbo, A. Ranjbar, A. Ramiar, E. Alizadeh, M. Aghaee, Improving PEM fuel cell performance and effective water removal by using a novel gas flow field, international journal of hydrogen energy, 41(4) (2016) 3023-3037.
[16]  A.P. Sasmito, E. Birgersson,  A.S.  Mujumdar, A novel flow reversal concept for improved thermal management in polymer electrolyte fuel cell stacks, International Journal of Thermal Sciences, 54 (2012) 242-252.
[17]  E. IEC 62282-3-200: Fuel cell technologies - Part 3-200: Stationary fuel cell power systems - Performance test methods, in.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 51، شماره 6
بهمن و اسفند 1398
صفحه 1217-1234

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار