بررسی توزیع دمای تک‌سل پیل سوختی پلیمری H2/O2 در شرایط عملیاتی مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

3 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده

پیل‌سوختی یک مبدل انرژی الکتروشیمیایی است که به صورت مستقیم انرژی شیمیایی سوخت را به جریان برق مستقیم و حرارت تبدیل می‌نماید. مدیریت حرارتی و مدیریت آب دو چالش اساسی در طراحی و افزایش بازده پیل‌های سوختی پلیمری به شمار می‌آیند، که به‌صورت ذاتی با یکدیگر مرتبط هستند. در مقاله‌ی حاضر، با ساخت پیل‌سوختی پلیمری و آزمونه‌های آزمایشگاهی در شرایط مختلف به تحلیلی درباره نحوه‌ی توزیع دما در پیل پرداخته می‌شود. با بررسی توزیع دما، ضمن دستیابی به ارتباط تولید توان و توزیع حرارت، پارامترهای حرارتی (شامل توزیع دما ، محدوه حداکثر و حداقل دما) استخراج می‌شود. جنبه‌ی نوآوری این مقاله دستیابی به درک صحیحی از توزیع دما در پیل‌سوختی غشا پلیمری در شرایط عملیاتی مختلف است. همچنین توزیع دما در حالت‌های عملیاتی انتها باز و انتها بسته در فشار و استوکیومتری‌های مختلف بررسی شده است. بررسی نتایج دوربین حرارتی در سطح کاتد سل شفاف نشان می‌دهد که با تغییر شرایط بهره‌برداری پیل‌سوختی، تمرکز حرارت در سطح آن نیز تغییر می‌کند. وقتی بهره ‌برداری پیل‌سوختی از حالت انتها باز به حالت انتها بسته تغییر کند بیشینه دمای سطح از بخش خروجی به بخش ورودی جابجا می‌شود. و با افزایش فشار، اهمیت کنترل بدتوزیعی و طراحی سیستم خنک‌کاری مناسب، بیشتر می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Study of Temperature Distribution of H2/O2 Polymer Electrolyte Fuel Cell in Different Operating Conditions

نویسندگان [English]

  • Seyyed Majid Rahgoshay 1
  • Ali Akbar Ranjbar 1
  • Abbas Ramiar 2
  • Ebrahim Alizadeh 3
1 School of Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
2 School of Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
3 School of Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
چکیده [English]

The fuel cell is an electrochemical energy exchanger that directly converts the chemical energy into direct current and heat. Thermal management and water management are two major challenges in designing and efficiency of polymer fuel cells, which are inherent in each other. In this paper, by manufacture polymer electrolyte membrane fuel cell and test under different conditions, an analysis will be made of how the temperature is distributed in the full cell. By studding this temperature distribution, the relationship between power generation and heat distribution, thermal parameters (temperature distribution, maximum and minimum temperature) are extracted. The innovation aspect of this paper is to achieve an understanding of the distribution of temperature in polymeric fuel cell under different operating conditions. Also, the temperature distribution has been investigated in open-end and dead-end operating modes in different pressures and stoichiometries. When the fuel cell is changed from the open-end to the dead end mode, the maximum temperature changed from the outlet section in to the input section. By increasing pressure, the importance of maldistribution control and design of a suitable cooling system will increase.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thermal Imaging
  • Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • temperature distribution
  • Operating Conditions
  • Dead End Mode
[1] World energy consumption, in, International Energy Agency, 2011.
[2]  F. Barbir, PEM fuel cells: theory and practice, Academic Press, 2013.
[3]S.G. Kandlikar, Z. Lu, Thermal management issues in a PEMFC stack–A brief review of current status, Applied Thermal Engineering, 29(7) (2009) 1276-1280.
[4]      G. Zhang, S.G. Kandlikar, A critical review of cooling techniques in proton exchange membrane fuel cell stacks, International Journal of Hydrogen Energy, 37(3) (2012) 2412-2429.
[5] R. Shimoi, M. Masuda, K. Fushinobu, Y. Kozawa, K. Okazaki, Visualization of the membrane temperature field of a polymer electrolyte fuel cell, Journal of energy resources technology, 126(4) (2004) 258-261.
[6] S.G. Goebel, Evaporative cooled fuel cell, in, Google Patents, 2005.
[7] S. Tsushima, K. Teranishi, S. Hirai, Magnetic resonance imaging of the water distribution within a polymer electrolyte membrane in fuel cells, Electrochemical and Solid-State Letters, 7(9) (2004) A269-A272.
[8]  B. Andreaus, A. McEvoy, G. Scherer, Analysis of performance losses in  polymer  electrolyte  fuel  cells  at high current densities by impedance spectroscopy, Electrochimica acta, 47(13) (2002) 2223-2229.
[9]  W.-M. Yan, F. Chen, H.-Y. Wu, C.-Y. Soong,  H.-S.  Chu, Analysis of thermal and water management with temperature-dependent diffusion effects in membrane of proton exchange membrane fuel cells, Journal of Power Sources, 129(2) (2004) 127-
[10] H. Ju, C.-Y. Wang, S. Cleghorn, U. Beuscher, Nonisothermal modeling of polymer electrolyte  fuel cells I. Experimental validation, Journal of The Electrochemical Society, 152(8) (2005) A1645-A1653.
[11] C.-Y. Wang, Fundamental models for fuel cell engineering, Chemical Reviews, 104(10) (2004) 4727- 4766.
[12] S. Lievens, J.-P. Maes, Methods for fuel cell coolant systems, in, Google Patents, 2007.
[13] M. Wang, H. Guo, C. Ma, Temperature distribution on the MEA surface of a PEMFC with serpentine channel flow bed, Journal of Power Sources, 157(1) (2006) 181- 187.
[14]  Infrared Thermal Imaging Camera in, Avio.
 [15] P.J. Vie, S. Kjelstrup, Thermal conductivities from temperature profiles in the polymer electrolyte fuel cell, Electrochimica Acta, 49(7) (2004) 1069-1077.
[16] B.D. Mench M, Davis T, Proceeding of ASME, in: Internal Mechanical Engineering Congress & Exposition, Washington, DC, 2003, pp. 415-428.
[17] M. Adzžicć, M. Heitor, D. Santos, Design of dedicated instrumentation for temperature distribution measurements in solid oxide fuel cells, Journal of applied electrochemistry, 27(12) (1997) 1355-1361.
[18] I. Alaefour, Current and Temperature Distributions in Proton Exchange Membrane Fuel Cell, University of Waterloo, 2012.
[19] T. Fabian, R. O’Hayre, F.B. Prinz, J.G. Santiago, Measurement of temperature and reaction species in the cathode diffusion layer of a free-convection fuel cell, Journal of The Electrochemical Society, 154(9) (2007) B910-B918.
[20] S.-K. Lee, K. Ito, T. Ohshima, S. Noda, K. Sasaki, In situ measurement of temperature distribution across a proton exchange membrane fuel cell, Electrochemical and Solid-State Letters, 12(9) (2009) B126-B130.
 [21] M. Matian, A.J. Marquis, N.P. Brandon, Application of thermal imaging to validate a heat transfer model for polymer electrolyte fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy, 35(22) (2010) 12308-12316.
[22] M. Rahimi, A. Ramiar, A. A. Ranjbar, E. Alizadeh, Design, Manufacturing and Testing of a Transparent PEM Fuel cell for Investigation of Water Management at Dead-End mode, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, (2017).
[23] OMEGA, Twelve Things to Consider Before Buying an Infrared Camera A Guide for Investing in Infrared, https://www.omega.com/manuals/manualpdf/Flir12_ Booklet.pdf, (2015) 1-16.