23438

مدل سازي عددي پيل هاي سوختي پليمري به منظور بهبود عملكرد

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

22/11/1399

دكتر محمد حسن شجاعي فرد

دكتر آيت قره قاني

مهندسي مكانيك

در پايان نامه پيش رو يك پيل سوختي تك كاناله بصورت سه بعدي و با استفاده از نرم افزار انسيس و ماژول اختصاصي پيل سوختي پليمري فلوئنت شبيه سازي شده است. معادلات حاكم بقاء جرم، مومنتوم، اجزاء، انرژي و پتانسيل الكتريكي با روش هاي گسسته سازي ديناميك سيالات محاسباتي و روش حجم محدود گسسته سازي و در شبكه محاسباتي استاندارد بعنوان نماينده هندسه و بخش هاي مختلف پيل سوختي اجرا و حل شده است. همچنين معادلات الكتروشيميايي پيل سوختي پليمري با استفاده از پارامتر هاي استخراج شده در ماژول پيل سوختي براي بخش هاي مختلف اجرا و تخصيص داده شده اند. در ادامه بصورت دقيق و با در نظر گرفتن ملاحظات حل عددي از قبيل استقلال از شبكه به اعتبار سنجي نتايج و بررسي نتايج حاصله پرداخته شده و رفتار پيل سوختي پليمري مورد بررسي قرارگرفته است. يكي از روش هاي بهبود عملكرد پيل هاي سوختي استفاده از انسداد در مسير اصلي كانال مواد واكنش دهنده ميباشد كه به عبور جريان از زير اين انسداد ها در لايه پخش گاز و حضور بيشتر گونه ها در پايگاه هاي واكنشي منجر ميشود. با وجود تحقيقات متنوع در مورد اثر انسداد ها بر عملكرد پيل هاي سوختي همچنان وجود يك تحقيق جامع و كامل براي بررسي انسداد ها مورد نياز ميباشد. در اين تحقيق اثر افزودن انسداد در سمت آند، بررسي طول انسداد ها و تعداد انسداد ها در سمت آند به تنهايي و آند و كاتد بصورت همزمان با موانع كامل براي اولين بار مورد بررسي قرار گرفته است. در نهايت نتايج استخراج و تحليل شده است و اثر پارامتر هاي مورد بررسي بر بهبود چگالي جريان كه در نتيجه ي بهبود غلظت در پايگاه هاي واكنش ميباشد گزارش و تحليل شده اند. در نتيجه تغييرات صورت گرفته بر روي كانال هاي پيل سوختي براي يك انسداد با طول 1/6ميليمتر در دو كانال آند و كاتد و دو انسداد با همان طول در دو كانال آند و كاتد به ترتيب ميزان 2/66و 14/52درصد بهبود چگالي جريان گزارش شده است. طبق نتايج استخراج شده تعداد انسداد ها، انسداد كانال كاتد و طول انسداد ها از بالاترين اهميت برخوردار بوده است.

1400/02/12

Numerical simulation of proton exchange membrane fuel cells for performance improvement

2/11/2022 12:00:00 AM

Fuel cells are advanced and new power systems that are known as sustainable, reliable and clean energy technologies. Among all fuel cell systems, PEM fuel cells are focused as a more efficient system in energy systems, especially in transport applications. In this thesis, a 3D single-channel fuel cell is designed in Ansys fluent PEM fuel cell addon-module. The cell is modeled based on numerical approaches and conservation equations such as mass conservation, momentum, energy, species and electric potential equations are discretized based on CFD (computational fluid dynamic) methods in finite volume scheme. Discretized equations are inserted in small volumes representing the whole geometry in different parts. Fuel cell parameters are inserted in corresponding addon-module to represent electrochemistry of the cell. After all, material properties, fuel cell parameters and boundary conditions are carefully handled to run the simulation. The validation model and mesh independency are handled to conduct the numerical simulation and ensure the accuracy of results and convergence criteria. In order to improve the PEM fuel cell performance, different blockages are suggested and investigated in this research. In order to run a careful investigation, three major cases are studied to widen the present gap of other similar studies. Effect of anode, cathode and both anode and cathode blockages, number of blockages and different blockage lengths are investigated in this research. As result, 1.6 mm single blockages and double blockages on the anode and cathode at the same time suggest 2.66 and 14.52 percent current density improvement and the effect of the number of blockages and cathode blockages along with blockage length are considered to have the most effects. In the end, a comprehensive discussion in the results are concluded. Different contours and plots are discussed and the effect of every parameter in different cases is shown in conclusion.

ديناميك سيالات محاسباتي , پيل هاي سوختي پليمري , شبيه سازي عددي , پيل سوختي

computational fluid dynamics , PEM fuel cells , Numerical simulation , fuel cell