بررسی تاثیرات تغییرات پارامترهای هندسی کانال های عبور جریان گاز بر روی عملکرد پیل سوختی غشا پلیمری

معینی, حامد; افشاری, ابراهیم; مظاهری, کریم

doi:10.22034/jsst.2022.1156

نوع مقاله : مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

¹ دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

² دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

³ استاد دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

https://doi.org/10.22034/jsst.2022.1156

چکیده

در این مقاله به بررسی تاثیرات تغییر پارامترهای هندسی کانالهای جریان بر روی توزیع دما و دانسیته جریان الکتریکی و همچنین عملکرد پیل سوختی غشا پلیمری پرداخته شده است. هدف، بررسی موارد مذکور با تغییر عرض و عمق کانالهای جریان و همچنین تغییر عرض شانه کانال می باشد. برای این منظور شبیه سازی عددی به صورت دو بعدی و با استفاده از معادلات بقای پتانسیل الکتریکی، قانون دارسی در محیط متخلخل، معادلات استفان-ماکسول برای انتقال جرم، معادله انرژی، معادلات الکتروترمال و معادله ولمر- باتلر، انجام شده است. نتایج حاکی از آن است که تغییر در ابعاد و فاصله بین کانالها بر روی توزیع دانسیته جریان الکتریکی، توزیع دما و همچنین عملکرد پیل سوختی غشا پلیمری تاثیرات قابل توجهی دارد. نتایج نشان می دهند که با کاهش عرض شانه و عمق کانالهای جریان و همچنین افزایش عرض کانالها، مقدار عملکرد کلی پیل افزایش یافته و حداکثر دما نیز کاهش می یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

طراحی سیستمی و شبیه‌سازی سامانه‌های فضایی و پیشرانه‌های فضایی

عنوان مقاله [English]

Effects of Geometrical Parameters of Gas Flow Channels on Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Performance

نویسندگان [English]

Hamed Moeini ¹
Ebrahim Afshari ²
Karim Mazaheri ³

¹ MSC , Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

² Associate Professor, ِ Department of Mechanical Engineering, Facultiy of Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran

³ Faculty of Aerospace department, Sharif University of tech, Tehran, Iran

چکیده [English]

In the present study, the effects of geometrical properties of gas flow channels on both current density and temperature distributions inside a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell are investigated. The main purpose here is to clarify the effects of the variation of width, depth, and the ribs of flow channels on the fuel cell performance. To do this, the fuel cell is numerically simulated in two dimensions. The governing equations consist of the conservation of the electrical potential, Darcy’s law as alternative to the momentum equation, Maxwell-Stefan equation for mass transport, energy conservation, and electro-thermal equations along with the Butler–Volmer equation. Numerical results indicate that the width of channels and their ribs have more sensible effects than the depth of flow channels on the current density and temperature distributions and fuel cell performance. While the maximum temperature of the cell is increased by increasing the width of the flow channels, the current density distribution and fuel cell performance can be improved. By decreasing the width of their ribs or depth of channels, the performance of the fuel cell is improved and its maximum temperature is decreased.

کلیدواژه‌ها [English]

Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell
Membrane
Electrodes
Current density
Temperature distribution

مراجع

[1] R. O. Hayre, S.W. Cha, W. F. Collela, B. Prinz, Fuel cell fundamentals, 3^rd Edition, John Wiley & Sons, New York, USA, 2016.

[2] Y. Wang, K. Chen, J. Mishler, S. Chan Cho, X.A. Cordobes Adroher, review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research. J. Applied Energy, vol. 88, no. 4, pp. 981-1007, 2011.

[3] M.F. Mathias, J. Roth, Diffusion media materials and characterization. Handbook of fuel cell technology fundamentals, technology and applications, John Wiley & Sons, New York, 2010.

[4] D. M. Bernardi and M. W. Verbrugge, Mathematical model of a gas diffusion electrode bonded to a polymer electrolyte, AIChe Journal, vol. 37, pp. 1151-1163, 1991.

[5] R. Boddu, U. K. Marupakula, B. Summers, P. Majumdar, Development of bipolar plates with different flow channel configurations for fuel cells, Journal of Power Sources. vol. 182, no. 2, 1083-1092, 2009.

[6] X. D. Wanga, X. X. Zhanga, W. M. Yanb, D. J. Leec, A. Sud, Determination of the optimal active area for proton exchange membrane fuel cells with parallel, interdigitated or serpentine designs, international journal of hydrogen energy, vol. 34, no. 9, pp. 3823-3829, 2009.

[7] S. M. Baek, D. H. Jeon, J. H. Nam and C. J. Kim, Pressure drop and flow distribution characteristics of single and parallel serpentine flow fields for polymer electrolyte membrane fuel cells, Journal of Mechanical Science and Technology. 26 (9) (2012),2995-3006.

[8] S. Um, C. Y. Wang, and K. S. Chen, “Computational fluid dynamics modeling of proton exchange membrane fuel cell,” Journal of the Electrochemical society, vol. 147 no. 12, pp. 4485-4493, 2000.

[9] 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, vol. 32, pp. 4489 – 4502, 2007.

[10] Z. M. Wan, J. H. Wan, J. Liu, “Water recovery and air humidification by condensing the moisture in the outlet gas of a proton exchange membrane fuel cell stack,” Applied Thermal Engineering, Vol. 42, pp. 173-178, 2012.

[11] S. Rowshanzamir, M. H. Eikani, M. Khoshnoodi and T. Eshagh Nimvar, “A Parametric Study of the PEM Fuel cell Cathode,” International journal of Engineering Science (IUST), vol. 19, no. 5-2, pp. 73-81, 2008.

[12] L.K. Kwac and H.G. Kim, “Investigation of gas flow characteristics in proton exchange membrane fuel cell,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 22, pp.1561-1567, 2008.

[13] M. Ameri, P. Oroojie, “Two Dimensional PEM Fuel cell Modeling at different Operation Voltages,” World Renewable Energy Congress, Sweden, 2011.

[14] X. Zhang, A. Higier, Xu. Zhang and H. Liu, “Experimental Studies of Effect of Land Width in PEM Fuel Cells with Serpentine Flow Field and Carbon Cloth,” Energies, pp. 471-481, 2019.

[15] N. Ahmadi, S. Rezazadeh, A. Dalvand and I. Mirzaee, “Study of effect of gas channels geometry on the performance of poly polymer electrolyte membrane fuel cell,” Periodical Polytechnic Chemical Engineering, vol. 62, no. 1, pp. 97-105, 2018.

[16] M. Muthukumar, P. Karthikeyau, M. Vairavel, C. Loganathan, S. Praveen kumar and A.P. Sentil kumar, “Numerical Studies on PEM Fuel Cell with Different Landing to Channel Width of Flow Channel,” Science Direct, Procedia Engineering, vol. 97, pp. 1534-1542, 2014.

[17] H. Liu, P. Lia, K. Wang, “Optimization of pem fuel cell flow channel dimensions, Mathematic modeling analysis and experimental verification,” International Journal of Hydrogen, Energy, vol. 38, pp. 9835-9846, 2013.

[18]V. Lakshminarayanan and P. Karthikeygan, “Optimization of Flow Channel Design and Operation Parameters on Proton Exchange Membrane Fuel Cell Using Matlab,” Periodical Polytechnic Chemical Engineering, vol. 60, no. 3, pp. 173-180, 2016.

[19] R. Hadjadj and W. Kaabar, “Numerical Investigation of Flow Field in Proton Exchange Membrane Fuel Cell at Different Channel Geometries,” Journal of Engineering Science and Technology, vol.13, no. 4, pp. 1070-1089, 2018

[20] COMSOL AB, Comsol Metaphysics Manual, Ver.3.3: The proton exchange membrane fuel cell, Burlington, MA, USA, 2006.

[21] P. Mondal and Md. A. AL Ahad, “Analysis of Electro-Thermal Characteristics of a Conductive Layer with Cracks and Holes, Global,” Journal of Researches in Engineering Mechanical and Mechanics Engineering, vol. 14, no.1, 2014.

علوم و فناوری فضایی

بررسی تاثیرات تغییرات پارامترهای هندسی کانال های عبور جریان گاز بر روی عملکرد پیل سوختی غشا پلیمری

مراجع

مراجع

دوره 15، شماره 1 - شماره پیاپی 51
ویژه نامه بهار 1401
فروردین 1401
صفحه 1-13

بررسی تاثیرات تغییرات پارامترهای هندسی کانال های عبور جریان گاز بر روی عملکرد پیل سوختی غشا پلیمری

مراجع

مراجع

دوره 15، شماره 1 - شماره پیاپی 51ویژه نامه بهار 1401فروردین 1401صفحه 1-13

دوره 15، شماره 1 - شماره پیاپی 51
ویژه نامه بهار 1401
فروردین 1401
صفحه 1-13