بررسی عملکرد اضافه کردن لایه‌های پخش گاز اطراف غشا مرطوب‌ساز غشایی برای کاربرد پیل سوختی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان

2 دانشگاه اصفهان

چکیده

به منظور عملکرد بهتر پیل‌های سوختی غشاپلیمری، نیاز به مرطوب‌سازی گازهای واکنشگر قبل از ورود به پیل است. استفاده از مرطوب‌ساز غشایی تخت با داشتن مزایای مهمی از قبیل ساختمان سادهو نداشتن قطعه متحرک، برای مرطوب‌سازی گازهای واکنشگر یکی از بهترین روش‌ها بوده که در این مقاله به آن پرداخته شده است. در این مطالعه پیشنهاد شده به منظور افزایش زمان ماند گازها در دو طرف غشا، لایه‌های متخلخل (لایه‌های پخش گاز) قرار داده شود. با مدل‌سازی سه بعدی و عددی مرطوب‌ساز، به بررسی اثر قرار دادن لایه‌های متخلخل و تأثیر خواص این لایه‌ها بر عملکرد مرطوب‌ساز پرداخته شده است. بدین منظور، ابتدا یک مرطوب‌ساز بدون لایه متخلخل، مدل‌سازی شده و سپس لایه متخلخل در سمت کانال‌های مرطوب، سمت کانال‌های خشک و دو سمت غشا قرار گرفته‌ شده است. نتایج نشان می‌دهد که بیشترین دمای نقطه شبنم خروجی سمت خشک به ترتیب مربوط به حالت استفاده از لایه‌های پخش گاز در هر دو سمت غشا، در سمت خشک، در سمت مرطوب و مرطوب‌ساز بدون لایه پخش گاز می‌باشد. در همه‌ی حالت‌های گذاشتن لایه متخلخل، با افزایش ضریب تخلخل و میزان نفوذپذیری لایه پخش گاز، نقطه شبنم خروجی سمت خشک افزایش می‌یابد و عملکرد مرطوب‌ساز را بهبود می‌بخشد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of the Humidifier Performance of Adding Gas Diffusion Layers Around Membrane for Fuel Cell Application

نویسندگان [English]

  • Morteza Ghaedamini 1
  • Ebrahim Afshari 2
1 University of Isfahan
چکیده [English]

Proton exchange membrane fuel cells requires humidification the reactive gases before entering the fuel cell for good performance. Using a planar membrane humidifier with important advantages such as simple building and no moving parts, is one of the best methods to humidification the reactive gases discussed in this paper. In this study, it is proposed to insert porous layers (gas diffusion layers) on both sides of the membrane, to increase the residence time gases. Therefore, by using three-dimensional and numerical modeling of the humidifier, the effect of porous layers and the effect of their properties on the humidifier performance are investigated. For this purpose, a non-porous humidifier is first modeled, and then the porous layer is inserting on the wet side, on the dry channel side, and on two sides of the membrane, and the performance of these models is compared. The results show that the highest dew point temperature of dry side outlet is related to the use of gas diffusion layers on both sides, on the dry side, on the wet side and humidifier without gas diffusion layers respectively. In all cases of laying gas, with increasing porosity coefficient and permeability, dew point increase and improve humidifier performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Membrane humidifier
  • Proton exchange membrane fuel cell
  • Gas diffusion layer
  • Dew point
  • Numerical modeling

مراجع

[1] Y. Wang, K.S. Chen, J. Mishler, S.C. Cho, X.C. Adroher, A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research, Applied energy, 88(4) (2011) 981-1007.
[2] T. Wilberforce, A. Alaswad, A. Palumbo, M. Dassisti, A.-G. Olabi, Advances in stationary and portable fuel cell applications, International journal of hydrogen energy, 41(37) (2016) 16509-16522.
[3] R. Huizing, Design and Membrane Selection for Gas to Gas Humidifiers for Fuel Cell Applications, University of Waterloo, 2007.
[4] M.V. Williams, H.R. Kunz, J.M. Fenton, Operation of Nafion®-based PEM fuel cells with no external humidification: influence of operating conditions and gas diffusion layers, Journal of Power Sources, 135(1-2) (2004) 122-134.
[5] R. Glises, D. Hissel, F. Harel, M.-C. Pera, New design of a PEM fuel cell air automatic climate control unit, Journal of Power Sources, 150 (2005) 78-85.
[6] D. Alan, Dynamic Modeling of Two-Phase Heat and Vapor Transfer Characteristics in a Gas-to-Gas Membrane Humidifier for Use in Automotive PEM Fuel Cells, 2009.
[7] S.-K. Park, S.-Y. Choe, S.-h. Choi, Dynamic modeling and analysis of a shell-and-tube type gas-to-gas membrane humidifier for PEM fuel cell applications, International Journal of Hydrogen Energy, 33(9) (2008) 2273-2282.
[8] S. Yun, D. Cha, K.S. Song, S.H. Hong, S.H. Lee, W. Yang, Y. Kim, Numerical analysis on the dynamic response of a plate-and-frame membrane humidifier for PEMFC vehicles under various operating conditions, Open Physics, 16(1) (2018) 641-650.
[9] A.H. Ahmaditaba, E. Afshari, S. Asghari, An experimental study on the bubble humidification method of polymer electrolyte membrane fuel cells, Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 40(12) (2018) 1508-1519.
[10] D. Chen, H. Peng, A thermodynamic model of membrane humidifiers for PEM fuel cell humidification control, Journal of dynamic systems, measurement, and control, 127(3) (2005) 424-432.
[11] S. Yu, S. Im, S. Kim, J. Hwang, Y. Lee, S. Kang, K. Ahn, A parametric study of the performance of a planar membrane humidifier with a heat and mass exchanger model for design optimization, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54(7-8) (2011) 1344-1351.
[12] E. Afshari, N.B. Houreh, Performance analysis of a membrane humidifier containing porous metal foam as flow distributor in a PEM fuel cell system, Energy conversion and management, 88 (2014) 612-621.
[13] S. Park, I.-H. Oh, An analytical model of Nafion™ membrane humidifier for proton exchange membrane fuel cells, Journal of Power Sources, 188(2) (2009) 498-501.
[14] S. Kang, K. Min, S. Yu, Two dimensional dynamic modeling of a shell-and-tube water-to-gas membrane humidifier for proton exchange membrane fuel cell, international journal of hydrogen energy, 35(4) (2010) 1727-1741.
[15] T. Cahalan, S. Rehfeldt, M. Bauer, M. Becker, H. Klein, Experimental set-up for analysis of membranes used in external membrane humidification of PEM fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy, 41(31) (2016) 13666-13677.
[16] G.-P. Li, R.-h. Qi, L.-Z. Zhang, Performance study of a solar-assisted hollow-fiber-membrane-based air humidification-dehumidification desalination system: Effects of membrane properties, Chemical Engineering Science, 206 (2019) 164-179.
[17] R. Pandey, A. Lele, Modelling of water-to-gas hollow fiber membrane humidifier, Chemical Engineering Science, 192 (2018) 955-971.
[18] C.-Y. Chen, W.-M. Yan, C.-N. Lai, J.-H. Su, Heat and mass transfer of a planar membrane humidifier for proton exchange membrane fuel cell, International Journal of Heat and Mass Transfer, 109 (2017) 601-608.
[19] W.-M. Yan, C.-Y. Chen, Y.-k. Jhang, Y.-H. Chang, P. Amani, M. Amani, Performance evaluation of a multi-stage plate-type membrane humidifier for proton exchange membrane fuel cell, Energy conversion and management, 176 (2018) 123-130.
[20] H. Sun, H. Liu, L.-j. Guo, PEM fuel cell performance and its two-phase mass transport, Journal of Power Sources, 143(1-2) (2005) 125-135.
[21] S.A. Atyabi, E. Afshari, Three-dimensional multiphase model of proton exchange membrane fuel cell with honeycomb flow field at the cathode side, Journal of cleaner production, 214 (2019) 738-748.
[22] N.B. Houreh, E. Afshari, Three-dimensional CFD modeling of a planar membrane humidifier for PEM fuel cell systems, International Journal of Hydrogen Energy, 39(27) (2014) 14969-14979.
[23] Y. Wang, C.-Y. Wang, Simulation of flow and transport phenomena in a polymer electrolyte fuel cell under low-humidity operation, Journal of Power Sources, 147(1-2) (2005) 148-161.
[24] H. Meng, C.-Y. Wang, Electron transport in PEFCs, Journal of the Electrochemical Society, 151(3) (2004) A358-A367.
[25] H. Meng, C.-Y. Wang, Model of two-phase flow and flooding dynamics in polymer electrolyte fuel cells, Journal of the Electrochemical Society, 152(9) (2005) A1733-A1741.
[26] V. Gurau, H. Liu, S. Kakac, Two‐dimensional model for proton exchange membrane fuel cells, AIChE Journal, 44(11) (1998) 2410-2422.
[27] H. Ju, H. Meng, C.-Y. Wang, A single-phase, non-isothermal model for PEM fuel cells, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48(7) (2005) 1303-1315.
[28] J.J. Hwang, W.R. Chang, J.K. Kao, W. Wu, Experimental study on performance of a planar membrane humidifier for a proton exchange membrane fuel cell stack, Journal of Power Sources, 215 (2012) 69-76.
[29] J. Monteith, M. Unsworth, Principles of environmental physics: plants, animals, and the atmosphere, Academic Press, 2013.
 
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 3
خرداد 1400
صفحه 1653-1666

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار