شبیه‌سازی، ساخت و آزمایش پیل سوختی غشای پلیمری با صفحات انتهایی شفاف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 مهندسی مکانیک ، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش، مراحل طراحی و ساخت یک دستگاه پیل سوختی غشای پلیمری شفاف با هدف فراهم ساختن امکان مشاهده و مطالعه پدیده طغیان در کانال‌های جریان دو سمت آند و کاتد با استفاده از تکنیک عکس‌برداری مستقیم، شرح داده شده‌است. در طراحی پیل ابتدا چالش‌های پیش‌روی ساخت شناسایی و در ادامه پیل طراحی شده شبیه‌سازی گردیده‌است. در گام نخست طراحی، ضمن بیان ضوابط و محدودیت‌های تکنیکی ساخت این دسته از پیل‌های سوختی، راهکارهای اجرایی در راستای غلبه بر این چالش‌ها ارائه و بر مبنای آن‌ها جنس و پارامترهای ابعادی کلیه قطعات تعیین گردیده‌است. در مرحله دوم طراحی، عملکرد پیل بصورت پایا و دوفازی در نرم‌افزار انسیس فلوئنت شبیه‌سازی و منحنی قطبیت استخراج شده‌است. پس از ساخت قطعات، شرح کامل مراحل راه‌اندازی پیل بیان گردیده‌است. در مرحله راه‌اندازی، بدلیل تاثیر گشتاور پیچشی پیچ‌ها بر نشتی، طول عمر و عملکرد پیل، این پارامتر به‌کمک منحنی قطبیت بهینه سازی شده‌است. نتایج حاصل بیانگر مقدار گشتاور پیچشی بهینه برابر برای هر پیچ در پیل ساخته شده می‌باشد. در ادامه به منظور صحت سنجی مدل عددی، در شرایط عملیاتی مشابه، نمودار قطبیت آن با نمودار قطبیت پیل ساخته شده مورد مقایسه قرار گرفت. خطای %87/6 این مقایسه نشان‌دهنده دقت مناسب روش عددی است. در انتها نیز از کانال‌های جریان سمت کاتد عکس‌برداری صورت پذیرفت و با استفاده از روش پردازش تصویر، آب انباشته شده در کانال‌های جریان شناسایی گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation, manufacturing and test of a transparent PEM fuel cell

نویسندگان [English]

  • Mohammadreza Hasheminasab 1
  • Mohammad J. Kermani 2
  • Seyed Salman Nourazar 2
  • mohammadhasan khodsiani 3
1 Fuel Cell Research Laboratory, Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, 424 Hafez Ave., Tehran, Iran, P. Code 15875-4413
2 Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran 15875-4413, Iran
3 Fuel Cell Research Laboratory, Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, 424 Hafez Ave., Tehran, Iran, P. Code 15875-4413
چکیده [English]

In this research, a transparent PEM fuel cell is designed and manufactured to visualize the anode and cathode side flow channels and study flooding phenomenon in them. Manufacturing challenges are found, and cell design is simulated prior to manufacturing. Restrictions are expressed in the first place and then practical solutions are presented to cope with them; materials and dimensions are then determined accordingly. As the second step, the cell’s operation is simulated and the polarization curve is extracted using a steady-state two-phase computation fluid dynamics model. After the manufacturing of all components, due to the high influence of the torque of the bolts on the leakage, lifetime and operation of the cell, this parameter is optimized using polarization curves. A torque of 1N.m for the bolts is found to be optimum. In order to validate the numerical model, the polarization curve of the model is compared with that of the experiment. An error of 6.76% demonstrates the suitable accuracy of the numerical model. Finally, the accumulated water on the cathode side is detected using direct visualization and image processing technique.

کلیدواژه‌ها [English]

  • PEM fuel cell
  • Design and Manufacturing
  • Water management
  • computational fluid dynamics
  • Digital Image Processing