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 فراهم‌ساختن امکان مشاهده مستقیم پدیده طغیان در کانال‌های جریان دو سمت آند و کاتد شرح داده شده‌است. در طراحی پیل ابتدا چالش‌های پیش‌روی ساخت شناسایی و در ادامه پیل طراحی‌شده 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. در ادامه و در مرحله راه‌اندازی، گشتاور پیچشی پیچ‌ها به‌کمک منحنی قطبیت بهینه‌سازی شده‌است. نتایج حاصل بیانگر مقدار گشتاور پیچشی بهینه برابر 1 برای هر پیچ در پیل ساخته شده می‌باشد. در ادامه به منظور صحت‌سنجی مدل عددی، در شرایط عملیاتی مشابه، نمودار قطبیت آن با نمودار قطبیت پیل ساخته‌شده 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 انباشته‌شده در کانال‌های جریان شناسایی گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation, manufacturing and test of a transparent proton-exchange membrane 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 proton-exchange membrane fuel cell is designed and manufactured to visualize the anode and cathode side flow channels and study the flooding phenomenon. Manufacturing challenges are found, and cell design is simulated before 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]

  • Proton-exchange membrane fuel cell
  • Design and Manufacturing
  • Water management
  • computational fluid dynamics
  • Digital Image Processing
[1] R. Anderson, L. Zhang, Y. Ding, M. Blanco, X. Bi, D.P. Wilkinson, A critical review of two-phase flow in gas flow channels of proton exchange membrane fuel cells, Journal of Power Sources, 195(15) (2010) 4531-4553.
[2] W. Yuan, Y. Tang, M. Pan, Z. Li, B. Tang, Model prediction of effects of operating parameters on proton exchange membrane fuel cell performance, Renewable Energy, 35(3) (2010) 656-666.
[3] A.D. Le, B. Zhou, A generalized numerical model for liquid water in a proton exchange membrane fuel cell with interdigitated design, Journal of Power Sources, 193(2) (2009) 665-683.
[4] 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 (2007) 222-237.
[5] J.M. Sergi, S.G. Kandlikar, Quantification and characterization of water coverage in PEMFC gas channels using simultaneous anode and cathode visualization and image processing, International Journal of Hydrogen Energy, 36(19) (2011) 12381-12392.
[6] J.P. Owejan, T.A. Trabold, D.L. Jacobson, M. Arif, S.G. Kandlikar, Effects of flow field and diffusion layer properties on water accumulation in a PEM fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, 32(17) (2007) 4489-4502.
[7] R. Banerjee, S.G. Kandlikar, Experimental investigation of two-phase flow pressure drop transients in polymer electrolyte membrane fuel cell reactant channels and their impact on the cell performance, Journal of Power Sources, 268 (2014) 194-203.
[8] 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) 1-18.
[9] A. Bozorgnezhad, M. Shams, H. Kanani, M. Hasheminasab, G. Ahmadi, The experimental study ofwater management in the cathode channel of single-serpentine transparent proton exchange membrane fuel cell by direct visualization, International Journal of Hydrogen Energy, 40(6) (2015) 2808-2832.
[10] D. Spernjak, A.K. Prasad, S.G. Advani, Experimentalinvestigation of liquid water formation and transport in a transparent single-serpentine PEM fuel cell, Journal of Power Sources, 170(2) (2007) 334-344.
[11] Z. Zhan, C. Wang, W. Fu, M. Pan, Visualization of water transport in a transparent PEMFC, International Journal of Hydrogen Energy, 37(1) (2012) 1094-1105.
[12] X.G. Yang, F.Y. Zhang, a.L. Lubawy, C.Y. Wang, Visualization of Liquid Water Transport in a PEFC, Electrochemical and Solid-State Letters, 7(11) (2004) A408-A408.
[13] K. Tüber, D. Pócza, C. Hebling, Visualization of water buildup in the cathode of a transparent PEM fuel cell, Journal of Power Sources, 124(2) (2003) 403-414.
[14] X. Liu, H. Guo, C. Ma, Water flooding and two-phase flow in cathode channels of proton exchange membrane fuel cells, Journal of Power Sources, 156(2) (2006) 267-280.
[15] F.Y. Zhang, X.G. Yang, C.Y. Wang, Liquid Water Removal from a Polymer Electrolyte Fuel Cell, Journal of The Electrochemical Society, 153(2) (2006) A225-A232.
[16] F.-B. Weng, A. Su, C.-Y. Hsu, C.-Y. Lee, Study of water-flooding behaviour in cathode channel of a transparent proton-exchange membrane fuel cell, Journal of Power Sources, 157(2) (2006) 674-680.
[17] X. Liu, H. Guo, F. Ye, C.F. Ma, Water flooding and pressure drop characteristics in flowchannels of proton exchange membrane fuel cells, Electrochimica Acta, 52(11) (2007) 3607-3614.
[18] S. Ge, C.-Y. Wang, Liquid Water Formation and Transport in the PEFC Anode, Journal of The Electrochemical Society, 154(10) (2007) B998-B1005.
[19] X. Liu, H. Guo, F. Ye, C.F. Ma, Flow dynamic characteristics in flow field of proton exchange membrane fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy, 33(3) (2008) 1040-1051.
[20] H. Heidary, M.J. Kermani, B. Dabir, Influences of bipolar plate channel blockages on PEM fuel cell performances, Energy Conversion and Management, 124 (2016) 51-60.
[21] T.E. Springer, T.A. Zawodzinski, S. Gottesfeld, Polymer Electrolyte Fuel Cell Model, 138(8) (1991) 2334-2342.
[22] J.H. Nam, M. Kaviany, Effective diffusivity and water-saturation distribution in single- and two-layer PEMFC diffusion medium, International Journal of Heat and Mass Transfer, 46(24) (2003) 4595-4611.
[23] J.S. Yi, T. Van Nguyen, Multicomponent Transport in Porous Electrodes of Proton Exchange Membrane Fuel Cells Using the Interdigitated Gas Distributors, 146(1) (1999) 38-45.
[24] S. Um, C.Y. Wang, K.S. Chen, Computational Fluid Dynamics Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells, 147(12) (2000) 4485-4493.
[25] B.M. Eaton, One Dimensional, Transient Model of Heat, Mass, and Charge Transfer in a Proton Exchange Membrane,  (2001).
[26] A. Iranzo, M. Muñoz, F. Rosa, J. Pino, Numerical model for the performance prediction of a PEM fuel cell. Model results and experimental validation, International Journal of Hydrogen Energy, 35 (2010) 11533-11550.
[27] J. Wang, Theory and practice of flow field designs for fuel cell scaling-up: A critical review, Applied Energy, 157 (2015) 640-663.
[28] A.P. Manso, F.F. Marzo, J. Barranco, X. Garikano, M. GarmendiaMujika, Influence of geometric parameters of the flow fields on the performance of a PEM fuel cell. A review, International Journal of Hydrogen Energy, 37(20) (2012) 15256-15287.