شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی دوفازی از حرکت قطره در میدان جریان و منیفولد سمت کاتد پیل سوختی پلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 آزمایشگاه تحقیقاتی فناوری پیل سوختی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

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

3 خواجه نصیر*مهندسی مکانیک

4 دانشگاه خواجه نصیر الدین طوسی

چکیده

پیل سوختی پلیمری با ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تولید آب، انرژی شیمیایی سوخت را بطور مستقیم و طی یک واکنش الکتروشیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. از مهم‌ترین موانع تجاری‌سازی این فناوری، مشکلات مربوط به مدیریت آب می‌باشد. در کار حاضر به بررسی فرایند حرکت قطرات شکل گرفته در کانال‌های جریان گاز به همراه منیفولدهای ورودی و خروجی پرداخته شده است. با توجه به ابعاد کوچک این کانال‌ها، توازن نیروهای موثر بر حرکت جریان مایع به سمت چسبندگی سطحی می‌باشد، بنابراین از مدل نیمه تجربی هافمن به همراه روش عددی دوفاز حجم سیال برای شبیه‌سازی فیزیک مساله در یک هندسه کاربردی شامل منیفولدهای توزیع کننده جریان گاز استفاده شده است. اثر شیب‌دار کردن مقطع منیفولد بر دفع قطرات آب مایع نسبت به حالت مستقیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است. مدل فیزیکی بکارگرفته شده برای زاویه تماس دینامیک با داده‌های حاصل از یک مطالعه آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که با تغییر هندسه منیفولدهای ورودی و خروجی مشکل ایجاد شده در هندسه متداول که موجب انسداد کانال انتهایی ناشی از تجمع آب مایع می‌شود برطرف شده و در نتیجه، اصلاح هندسه سبب بهبود مدیریت آب در کانال‌ها خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

1-1- Two Phase Simulation of Droplets Motion in Cathode Channels and Manifolds of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

نویسندگان [English]

  • Sayed Hossein Masrouri Saadat 1
  • Mazaher Rahimi Esboee 2
  • mehrzad shams 3
  • majid ghasemi 4
1 Fuel Cell Technology Research Laboratory, Malek Ashtar University of Technology
2 Fuel Cell Technology Research Laboratory, Malek Ashtar University of Technology, Fereydounkenar, Iran.
3 Faculty of Mechanical Engineering K.N. Toosi University of Technology P.O Box: 19395-1999 Tehran, Iran
4 Faculty of Mechanical Engineering K.N. Toosi University of Technology P.O Box: 19395-1999 Tehran, Iran
چکیده [English]

Polymer electrolyte membrane fuel cell with a combination of oxygen and hydrogen and production of water converts the chemical energy of the fuel directly and through an electrochemical reaction to electrical energy. One of the most crucial issues for commercializing this technology is water management. In the present study, the motion of liquid droplets that emerged in the gas flow channels with inlet and outlet manifolds is investigated. Due to the small dimensions of these channels, the balance of surface adhesion and other dynamic forces influence the flow of fluid, therefore, the semi- empirical Hoffman model with a two-phase flow method for simulating physics in an applied geometry including gas flow manifolds are used. The effect of tapering the manifold cross-section on the liquid water droplets is also investigated. The physical model used for the dynamic contact angle is validated with data from an experimental study. Simulation results show that by changing the geometry of the input and output manifolds, the problem created in conventional geometry, which causes the obstruction of the last channel due to the accumulation of liquid water, will be resolved, thereby improving the geometry will improve the water management in the channels.

کلیدواژه‌ها [English]

  • PEM fuel cell
  • Water management
  • Two phase flow
  • Droplet motion
  • Dynamic contact angle
[1] F. Barbir, PEM fuel cells, in: Fuel Cell Technology, Springer, 2006, pp. 27-51.
[2] A. Bozorgnezhad, M. Shams, H. Kanani, M. Hasheminasab, G. Ahmadi, Two-phase flow and droplet behavior in microchannels of PEM fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, 41(42) (2016) 19164-19181.
[3]E. Alizadeh, M. Rahimi-Esbo, S. Rahgoshay, S. Saadat, M. Khorshidian, Numerical and experimental investigation of cascade type serpentine flow field of reactant gases for improving performance of PEM fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, 42(21)(2017) 14708-14724.
 [4] 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.
[5] M.E.A.B. Amara, S.B. Nasrallah, Numerical simulation of droplet dynamics in a proton exchange membrane (PEMFC) fuel cell micro-channel, International journal of hydrogen energy, 40(2) (2015) 1333-1342.
[6] S. Malekzadeh, E. Roohi, Investigation of different droplet formation regimes in a T-junction microchannel using the VOF technique in OpenFOAM, Microgravity Science and Technology, 27(3) (2015) 231-243.
[7] M. Ashrafi, M. Shams, A. Bozorgnezhad, G. Ahmadi, Simulation and experimental validation of droplet dynamics in microchannels of PEM fuel cells, Heat and Mass Transfer, 52(12) (2016) 2671-2686.
[8] T. Skiba, C.J. Carnevale, Fuel cell gas inlet manifold drain, in, Google Patents, 2015.
[9] J.P. Owejan, T.A. Trabold, W.H. Pettit, T.W. Tighe, J.M. Keogan, E.J. Connor, S.G. Goebel, Pem fuel cell stack inlet water regulation system, in, Google Patents, 2015.
[10]J.P. Owejan, Fuel cell assembly manifold heater for improved water removal and freeze start, in, Google Patents, 2013.
[11] E. Kumbur, K. Sharp, M. Mench, Liquid droplet behavior and instability in a polymer electrolyte fuel cell flow channel, Journal of Power Sources, 161(1) (2006) 333-345.
[12] Y. Cai, J. Hu, H. Ma, B. Yi, H. Zhang, Effects of hydrophilic/hydrophobic properties on the water behavior in the micro-channels of a proton exchange membrane fuel cell, Journal of Power Sources, 161(2) (2006) 843-848.
[13] E. Shirani, S. Masoomi, Deformation of a droplet in a channel flow, Journal of fuel cell science and technology, 5(4) (2008) 041008.
[14] K. Jiao, B. Zhou, P. Quan, Liquid water transport in parallel serpentine channels with manifolds on cathode side of a PEM fuel cell stack, Journal of Power Sources, 154(1) (2006) 124-137.
[15] K. Jiao, B. Zhou, P. Quan, Liquid water transport in straight micro-parallel-channels with manifolds for PEM fuel cell cathode, Journal of Power Sources, 157(1) (2006) 226-243.
[16] P. Quan, M.-C. Lai, Numerical study of water management in the air flow channel of a PEM fuel cell cathode, Journal of Power Sources, 164(1) (2007) 222- 237.
[17] A.D. Le, B. Zhou, A general model of proton exchange membrane fuel cell, Journal of power sources, 182(1) (2008) 197-222.
[18]Š. Šikalo, E. Ganić, Phenomena of droplet–surface interactions, Experimental Thermal and Fluid Science, 31(2) (2006) 97-110.
[19] S. Litster, D. Sinton, N. Djilali, Ex situ visualization of liquid water transport in PEM fuel cell gas diffusion layers, Journal of Power Sources, 154(1) (2006) 95-105.
[20] I. Fluent, FLUENT 6.3 user’s guide, Fluent documentation, (2006).