sayed hossein masrouri saadat
-
پیل های سوختی پلیمری با آند و کاتد انتها بسته می توانند با سیستمی نسبتا ساده درصد مصرف سوخت های اکسیژن و هیدروژن را افزایش دهند. با این وجود، تجمع آب در بخش انتهایی کانال های آند و کاتد موجب قحطی سوخت موضعی و در نتیجه کاهش عملکرد پیل سوختی می شود. در این مقاله، برای اولین بار یک طرح جدید برای سری پیل سوختی ارائه شده است که بدون استفاده از دستگاه های گردش مجدد سوخت که نیازمند صرف توان اضافی هستند، می تواند درصد مصرف سوخت را افزایش دهد. ایده اصلی طرح ارائه شده تقسیم سری به دو مرحله مجزا است: گاز خروجی از مرحله اول بعد از ورود به جداساز به مرحله بعدی وارد می شود. گازهای واکنشگر قبل از ورود به سلول ها از یک رطوبت زن یکپارچه با سری عبور کرده و رطوبت مورد نیاز برای عملکرد مناسب را کسب می کنند. در طرح ارائه شده اگرچه پیل سوختی در حالت انتهابسته کار می کند اما با توجه به مرحله ای بودن سری، بیشتر سلول ها در استوکیومتری بزرگتر از 1 کار می کنند. با این طراحی نیاز به تخلیه کمتری برای دفع آب تجمع یافته است. به عبارتی دیگر، کارایی طرح انتها بسته معادل طرح انتها باز خواهد شد. تمامی آزمون های عملکردی در یک سیستم قدرت یکپارچه با پیل سوختی انجام شده است.
کلید واژگان: پیل سوختی پلیمری, عملکرد انتها بسته, زمان تخلیه, کارایی, رطوبت زن یکپارچه, تجمع آبProton exchange membrane fuel cells with a dead-ended anode and cathode can obtain high hydrogen and oxygen utilization by a comparatively simple system. Accumulation of the water in the anode and cathode channels can lead to local fuel starvation, which degrades the performance of fuel cell. In this paper, for the first time, a new design for proton exchange membrane fuel-cell stack is presented that can achieve higher fuel utilization without using fuel recirculation devices that consume parasitic power. Unified humidifier is another novelty that is applied for the first time. The basic concept of the design is to divide the anodic cells of a stack into two blocks by conducting the outlet gas of each stage to a separator and reentering to next stage, thereby constructing a multistage anode and cathode. In this design, higher gaseous flow rate is maintained at the outlet of the cells, even under dead-end conditions, and this results in a reduction of purge-gas emissions by hindering the accumulation of liquid water in the cells. The result shows that with this new design the dead-end mode has the same performance as open-end mode. All performance tests were carried out at an integrated power system.
Keywords: Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Dead-End Performance, Purge Time, Efficiency, Unified Humidifier, Water Accumulation -
پیل سوختی پلیمری با ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تولید آب، انرژی آزادشده در طی فرایند شیمیایی را به برق تبدیل می کند، لذا به عنوان انرژی پاک بسیار مورد توجه می باشد. مهم ترین موانع در راستای تجاری سازی این فناوری، مشکلات مربوط به کنترل میزان آب تولیدی و مدیریت آن در پیل سوختی، مدیریت گرما و غیره می باشد. موضوع مدیریت آب در پیل های سوختی پلیمری، دراجزای مختلف آن قابل تحقیق است، در کار حاضر به بررسی فرایند حرکت قطرات شکل گرفته در کانال های جریان گاز، مرتبط با پیل سوختی پلیمری به همراه منیفولد های ورودی و خروجی، به منظور فهم صحیح از دینامیک جریان مایع، پرداخته شده است. با توجه به ابعاد کوچک این کانال ها، توازن نیروهای غالب و موثر بر حرکت جریان مایع به سمت کشش و چسبندگی سطحی می باشد، بنابراین، از مدل نیمه تجربی هافمن به همراه روش دوفاز عددی حجم سیال برای شبیه سازی حاضر استفاده شده و هندسه اصلاح شده مورد یررسی قرارگرفته است، در این مطالعه زاویه تماس دینامیک و حرکت دینامیک قطره در یک هندسه کاربردی که شامل منیفولدهای توزیع کننده جریان گاز در پیل سوختی پلیمری می باشد با استفاده از مدل دوفازی حجم سیال مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. اثر شیب دار کردن مقطع منیفولد بر دفع قطرات آب مایع نسبت به حالت مستقیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است. با تغییر هندسه منیفولدهای ورودی و خروجی مشکل ایجاد شده در هندسه متداول که موجب انسداد کانال ناشی از آب مایع می شده، بر طرف می شود. درنتیجه اصلاح هندسه سبب بهبود مدیریت آب در کانال ها می شود.
کلید واژگان: پیل سوختی پلیمری, مدیریت آب, جریان دوفاز, دینامیک قطره, تابع هافمنFor conquering the crisis of the diminution of fossil fuels resources and environmental problems owing to their excessive consumption, some alternative technologies have been introduced. Among these possible choices, the fuel cell technology is a prominent candidate for a large scale and long term energy source. Between different types of fuel cells, the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) attracts greatest interest for its noticeable advantages and more over for being a “Green Energy” as it simply generates electricity by combining Oxygen and Hydrogen and producing merely water. However, the most important hindrances in the way of commercializing this technology are those associated with water and heat management in PEM fuel cells. In the present work the dynamic and droplet motion mechanisms is simulated by Volume of Fluid (VOF) two phase technique and implementing of Hoffman function as hysteresis model. In this study, the dynamic contact angle of the droplet motion is considered and the dynamic motion of the droplet is investigated in an application geometry that includes the manifolds of the gas flow distributor in the PEMFC. The effect of the manifold slopes on the discharge of liquid water droplets compare to straight manifold has also been studied. By changing the geometry of the inlet and outlet manifolds, the problem created in conventional geometry, which causes the obstruction of the channel caused by liquid water, is overcome, thus improving geometry improves water management in the channels.
Keywords: PEM fuel cell, Water management, Two phase flow, Droplet Dynamic, Hoffman function -
در یک پیل سوختی پلیمری، رسانایی پروتونی غشا به میزان رطوبت وابسته بوده و استفاده از گازهای واکنش دهنده در حالت اشباع می تواند عملکرد پیل سوختی را بهبود بخشد. انتقال حرارت گاز واکنش دهنده با دیوار استک باعث چگالش بخشی از بخار آب موجود در گاز ورودی می شود. تغییر فاز، توزیع جریان گاز در میان سلول های استک را تحت تاثیر قرار می دهد. در این مقاله از دینامیک سیالات محاسباتی برای بررسی تاثیر تغییر فاز بخار آب در توزیع جریان گاز اکسیژن در بخش کاتد یک استک پیل سوختی پلیمری با 26 سلول استفاده شده است. به همین منظور، کدی در نرم افزار OpenFOAM توسعه یافته و با داده های آزمایشگاهی برای توزیع جریان تک فاز اعتبارسنجی شده است. سه شرط مرزی متفاوت به دیوار منیفولد اعمال شده است: دماثابت، انتقال حرارت جابه جایی آزاد و اجباری. نتایج نشان می دهد که آب تولیدی از چگالش بر روی دیوار پایین منیفولد وارد سلول اول می شود. همچنین تجمع آب در این ناحیه باعث کاهش سرعت جریان در ورودی سلول اول می گردد. آب چگالیده شده بر روی دیوار بالایی منیفولد به انتهای استک هدایت می شود. بخشی از آن وارد چهار سلول انتهایی شده و بخشی دیگر به دلیل گردابه به درون منیفولد بازمی گردد. بنابراین سلول اول و چهار سلول آخر مقدار کمتری واکنش دهنده دریافت می کنند. پارامتر توزیع غیریکنواخت جریان در حالت استفاده از اکسیژن اشباع و تحت شرایط جابه جایی اجباری 1425 درصد افزایش خواهد یافت.
کلید واژگان: جریان دوفازی, تغییرفاز, استک پیل سوختی, توزیع جریان, کسرحجمیIn a PEMFC, the proton conductivity of the membrane depends on its water content and using saturated reactants can improve the performance of the fuel cell. The heat transfer between saturated reactants and the walls causes condensation of part of the water vapor in the inlet gas. Phase change affects the distribution of gas flow among the cells in the stack. In this paper, CFD is used to study 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. 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 four last 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 forced convection conditions.
Keywords: Two phase flow, Phase change, fuel cell stack, flow distribution, Volume fraction -
مدیریت مصرف گازهای واکنشگر پیل های سوختی غشاء پلیمری به سه حالت انتهاباز، برگشت مجدد و انتهابسته طبقه بندی می گردد. گازهای واکنشگر در حالت انتهابسته به دلیل انباشته شدن گاز بی اثر و آب به صورت تناوبی تخلیه می گردند. در این مقاله یک استک پیل سوختی پلیمری با صفحات انتهایی شفاف و طراحی منحصر بفرد برای بررسی مدیریت آب در حالت های عملیاتی انتهاباز و انتهابسته، طراحی، ساخت و مونتاژ شد. در این مقاله برای اولین بار بحث مدیریت آب در یک استک پیل سوختی پلیمری انتها بسته آندی و کاتدی با جزییات کامل مربوط به نحوه تشکیل و دفع آب مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داده است تا چگالی جریان 200 میلی آمپر بر سانتیمتر مربع آب تشکیل شده به صورت قطرات مجزا بوده و هیچگونه جریان فیلمی و انسداد در کانال مشاهده نمی شود. همچنین همانگونه که انتظار می رفت تجمع قطرات جریان فیلمی در نیمه پایینی بیشتر از نیمه بالایی بوده و لذا کاهش تعداد کانال برای افزایش سرعت و دفع آب در نیمه پایینی میدان شارش گازهای واکنشگر ضروری می باشد. همچنین نتایج نشان داده است که برای عملکرد پایدار در حالت انتهابسته حداکثر زمان ممکن برای بسته بودن شیر های خروجی 5 ثانیه و حداقل زمان لازم برای باز بودن آن 5 ثانیه بوده است.کلید واژگان: پیل سوختی شفاف, جریان فیلمی آب, زمان تخلیه, حالت انتها بسته, تغییرات ولتاژThe management of consumption the reactive gas in PEMFC is classified into three types: open-end, recirculation and dead-end. In dead-end mode, reactant gasses due to accumulating of water and inert gas should be purged alternatively. In this paper a PEMFC stack with transparent end plates and a unique design for investigation of water management is designed, manufactured and fabricated. In this paper, for the first time, the discussion of water management in a dead-end anode and cathode PEMFC stack with details of form and remove of water has been investigated. The results have shown that at the current density lower than 200 mA/cm2 the produced water is in the form of separate droplets and there is no film flow and slug flow of water in the channel. Also, as expected, the accumulation of droplets and film flow in the lower half was more than the upper half and therefore the reduction of the number of channels to increase gas speed and effective water removal in this part was essential. The results have shown that for steady-state operation, the maximum time possible for closing the output valves is 5 seconds and the minimum time required to open it is 5 seconds.Keywords: Transparent PEMFC, Water film flow, Purge time, Dead-end mode, Voltage variation
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.