نقش تغییر فاز در توزیع جریان درمنیفولد استک پیل سوختی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 فردوسی مشهد-مهندسی- گروه مهندسی مکانیک

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

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

5 آزمایشگاه تحقیقاتی فناوری پیل سوختی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

در این مقاله از دینامیک سیالات محاسباتی برای بررسی تاثیر تغییر فاز بخار آب در توزیع جریان گاز اکسیژن در بخش کاتد یک استک پیل‌سوختی پلیمری با 26 سلول استفاده شده است. به همین منظور، کدی در نرم‌افزار اپن‌فوم توسعه داده شده و با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی برای توزیع جریان تک‌فاز اعتبارسنجی شده است. سه شرط مرزی متفاوت به دیوار منیفولد اعمال شده است: دما ثابت، انتقال حرارت جابه‌جایی آزاد و اجباری. نتایج نشان می‌دهد که آب تولیدی از چگالش بر روی دیوار پایین منیفولد ورودی، وارد سلول اول می‌شود. همچنین تجمع آب در این منطقه باعث کاهش سرعت جریان در ناحیه ورودی سلول اول می‌گردد. بخار آب چگالیده شده بر روی دیوار بالایی منیفولد ورودی به سمت انتهای استک حرکت می‌کند. بخشی از آب وارد چهار سلول انتهایی شده و بخشی دیگر به دلیل گردابه بوجود آمده در انتهای استک به درون منیفولد بازمی‌گردد. بنابراین سلول اول و چهار سلول آخر مقدار کمتری واکنش‌دهنده دریافت می‌کنند. پارامتر توزیع غیر یکنواخت جریان در حالت استفاده از اکسیژن اشباع و تحت شرایط جابه‌جایی اجباری 1425 درصد افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of the Phase Change on the Flow Distribution in the Manifold of Fuel Cell Stack

نویسندگان [English]

  • Ahmad Rezaei Sangtabi 1
  • Ali Kianifar 2
  • Ebrahim Alizadeh 3
  • Mazaher Rahimi Esboee 4
  • Sayed Hossein Masrouri Saadat 5
1 Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
2 Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
3 Fuel Cell Technology Research Laboratory, Malek Ashtar University of Technology, Freydounkenar, 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]

In this paper, the effect of water vapor phase change on the distribution of oxygen flow in the cathode side of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack with 26 cells is investigated by using computational fluid dynamics. For this purpose, a code is developed in OpenFOAM software and validated with experimental data for the single-phase flow distribution. Three different boundary conditions are applied to the walls of the manifold: constant temperature, free and forced heat convection. The results indicate that water generated from condensation on the lower wall of the inlet manifold enters the first cell. Also, the accumulation of water in this area reduces the flow velocity at the entrance of the first cell. The condensed water vapor on the upper wall of the inlet manifold moves to the end of the stack. Part of the water enters into the last four cells, and the other part returns to the manifold due to the vortex. Therefore, the first cell and the last four cells receive less reactant than other cells. The non-uniform flow distribution parameter increases by up to 1425% on using saturated oxygen and under the forced convection condition.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Two phase flow
  • Phase change
  • fuel cell stack
  • flow distribution
  • Volume fraction
[1] F. Barbir, PEM Fuel Cells, Academic Press, Boston, 2013.
[2] J.  Lebæk,  M.  Bang,  S.K.  Kær,   Flow   and Pressure Distribution in Fuel Cell Manifolds, Journal of Fuel Cell Science and Technology, 7(6) (2010) 061001-061008.
[3] J.-H. Koh, H.-K. Seo, C.G.  Lee, Y.-S.  Yoo,  H.C. Lim, Pressure and flow distribution in internal gas manifolds of a fuel-cell stack, Journal of Power Sources, 115(1) (2003) 54-65.
[4] F. White, Fluid Mechanics, 8th Edition ed., McGraw-Hill Education, New York, 2016.
[5] J.J. Baschuk, X. Li,  Modelling  of  polymer electrolyte membrane fuel cell stacks based on a hydraulic  network  approach,  International   Journal of Energy Research, 28(8) (2004) 697-724.
[6] J. Park, X. Li, Effect of flow and temperature distribution on the performance of a PEM fuel cell stack, Journal of Power Sources, 162(1) (2006) 444-459.
[7] C.-H. Chen, S.-P.  Jung, S.-C. Yen,  Flow distribution in the manifold of PEM fuel cell stack, Journal of Power Sources, 173(1) (2007) 249-263.
[8]  M. Sajid Hossain, B. Shabani,  C.P.  Cheung, Enhanced gas flow uniformity  across  parallel  channel cathode flow field of Proton Exchange Membrane fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy, 42(8) (2017) 5272-5283.
[9] S. Maharudrayya, S. Jayanti, A.P. Deshpande, Flow distribution and pressure drop in parallel-channel configurations of planar fuel cells, Journal of Power Sources, 144(1) (2005) 94-106.
[10] T. Ito, J. Yuan, B. Sunden, Influence of Pressure Drop in PEM Fuel Cell Stack on the Heat and Mass Balances in 100 kW Systems, (42754) (2007) 15-24.
[11] C. Anbumeenakshi, M.R. Thansekhar, Experimental investigation of header shape and  inlet  configuration on flow maldistribution in microchannel, Experimental Thermal and Fluid Science, 75 (2016) 156-161.
[12]  J. Lebæk, M.B. Andreasen, H.A. Andresen, M. Bang, S.K. Kær, Particle Image Velocimetry and Computational Fluid Dynamics Analysis of Fuel Cell Manifold, Journal of Fuel Cell Science and Technology, 7(3) (2010) 031001-031010.
[13] P. Rodatz, F. Büchi, C. Onder, L. Guzzella, Operational aspects of a large PEFC stack under practical conditions, Journal of Power Sources, 128(2) (2004) 208-217.
[14] J. Dong, X. Xu, B. Xu, CFD analysis of a novel modular manifold with multi-stage channels for uniform air distribution in a fuel cell stack, Applied Thermal Engineering, 124 (2017) 286-293.
[15 M. Ashrafi, H. Kanani, M. Shams, Numerical and experimental study of two-phase flow uniformity in channels of parallel PEM fuel cells with modified Z-type flow-fields, Energy, 147 (2018) 317-328.
[16] Y. Cai, Z. Fang, B. Chen, T. Yang, Z. Tu, Numerical study on a novel 3D cathode flow field and evaluation criteria for the PEM fuel cell design, Energy, 161 (2018) 28-37.
 [17] Y. Kerkoub, A. Benzaoui, F. Haddad, Y.K. Ziari, Channel to rib width ratio influence with various flow field designs on performance of PEM fuel cell, Energy Conversion and Management, 174 (2018) 260-275.
[18] H.J. Kim, T.W. Kim, Numerical Investigation of Gas- Liquid Two-Phase Flow inside PEMFC Gas Channels with Rectangular and Trapezoidal Cross Sections, Energies, 11(6) (2018).
[19] J.U. Brackbill, D.B. Kothe, C. Zemach, A continuum method for modeling surface tension, Journal of Computational Physics, 100(2) (1992) 335-354.
[20] P.K. Jithesh, A.S. 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.
[21]  N. Samkhaniani, M.R. Ansari, Numerical simulation of bubble condensation using CF-VOF, Progress in Nuclear Energy, 89 (2016) 120-131.
[22]  S.Y. Kim, W.N. Kim, Effect of cathode inlet manifold configuration on performance of 10-cell proton-exchange membrane fuel cell, Journal of Power Sources, 166(2) (2007) 430-434.
[23]  R.E. Sonntag, C. Borgnakke, Gordon J. Van Wylen, and Gordon J. Van Wylen, Fundamentals of Thermodynamics, Wiley, New York, 1998.
[24]  J.M. Jackson, M.L. Hupert, S.A. Soper, Discrete geometry optimization for reducing flow non-uniformity, asymmetry, and parasitic minor loss pressure drops in Z-type configurations of fuel cells, Journal of Power Sources, 269 (2014) 274-283.