17752

17752

شبيه سازي و بررسي تاثير پي تي اف اي و چسب بر روي انتقال قطره آب از لايه نفوذ گازي پيل سوختي پليمري

كارشناسي ارشد

سيستم محركه خودرو

ارديبهشت 1396

دكتر اميرحسن كاكايي - دكتر غلامرضا مولايي منش

خودرو

خيليها بر اين باورند كه پيل سوختي پليمري به دليل بازده بالا، عملكرد در دماي پايين، هندسهي قابل ساخت و راه اندازي سريع براي استفاده در صنعت نيروي محركه خودرو مناسب است. اما اين پيلها با چالشهايي روبهرو هستند كه يكي از آنها سيلاب زدگي در بخش كاتد به ويژه در لايه نفوذ گازي مي-باشد. استفاده از مواد به شدت آبگريز مانند پلي تترا فلورو اتيلن (پيتيافاي) براي روبهرويي با اين چالش گزينهاي مناسب است. هدف از اين پژوهش بررسي تأثير دو ماده پيتيافاي و چسب به طور همزمان بر روي نحوهي انتقال آب و شبيه سازي حركت قطره در هنگام خروج از لايه نفوذ گازي يك پيل سوختي پليمري توسط روش عددي شبكه- بولتزمن ميباشد. روش شبكه- بولتزمن روشي كارآمد و نوين براي شبيه سازي عددي است كه اخيراً بسيار مورد استفادهي دانشمندان براي حل مسائل عددي به دليل ويژگيهايي چون حل آسان در هنگام روبرويي با شرايط مرزي پيچيده و خطي بودن معادلهي آن و ... قرار گرفته است. پيتيافاي با خاصيت آبگريزي براي افزايش كارايي انتقال آب در مديريت آب پيل سوختي پليمري و چسب براي اتصال بين رشتههاي كربني استفاده ميشود. در اين پژوهش شش نمونه هندسهي متخلخل با سه توزيع مختلف پيتيافاي (توزيع يكنواخت، غير يكنواخت و به شدت غير يكنواخت) و دو مقدار متفاوت چسب (30 و 70 درصد وزني) در سه بعد با كد تدوين شده بازسازي شدهاند تا رفتار ديناميك قطره در هر يك از آنها، مشاهده و مقايسه شوند. هدف اصلي اين پژوهش بررسي اهميت توزيع پيتيافاي با وجود چسب است. با توليد هندسه و شبيه سازي سه بعدي و همچنين تصاوير گرفته شده در لحظههاي مشخص از جابجايي و تبخير قطره مابين رشتههاي كربني، قابليت مشاهدهي عيني رفتار قطره بسيار ميسّر ميشود. نتايج نهايي به صورت كمّي و كيفي ارائه شدهاند. نتايج كيفي همان رفتار ديناميك قطره در طي گامهاي زماني است و نتايج كمّي، نمودارهاي از بين رفتن قطره بر حسب زمان است. از شش نمونهي بازسازي شده، نمونهي با توزيع به شدت غير يكنواخت و چسب كمتر جهت حذف قطره بهتر بود كه نشان دهندهي اهميت نحوهي صحيح توزيع پيتيافاي ميباشد. همچنين نتايج اين پايان نامه نشان ميدهد كه استفاده از مقدار زياد چسب مانعي براي خروج قطرهي آب از لايه نفوذ گازي به دليل و به تله افتادن آن در بين رشتههاي كربني ميباشد. واژههاي كليدي: پيل سوختي پليمري، لايهي نفوذ گازي، پيتيافاي، روش شبكه- بولتزمن، مديريت آب، رشتههاي كربني، چسب.

1396/06/19

11/22/2017 12:00:00 AM

By progress of the new generation of automotive and reducing the fossil fuel, vehicle industrial forwarded to the new green systems such as fuel cells. Many are in believe that polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have a widespread application which give us an option to choose them in vehicle industrial. They offer important features such as high power density, low operating temperature and easy scale up that convinced us to follow and improve them as a foremost motive force. However practical utility of these fuel cells is faced with some challenges including water management which may lead to flooding of the electrodes. The common gesture for mitigating this issue is treatment of gas diffusion layer with a highly hydrophobic material such as PTFE. There are many researches have been done to observe the effect of PTFE solely. Although effect of PTFE distribution is major parameter that should be investigate to achieve optimum situation for troubleshooting water management technical challenge in PEMFCs. Lattice Boltzmann method (LBM) is one of the best methods for numerical study due to its capability of modeling multiphase flow with complicated boundary conditions in the complicated microstructure of a porous GDL considering its non-homogeneous and anisotropic transport properties. Further to PTFE distribution; binder amount is considered to observe the effect of these two material together on droplet removal. In the present study, droplet removal from six GDLs with three different PTFE distribution and two different binder amount through an interdigitated flow field is investigated using LBM. The results demonstrate that, optimum PTFE distribution is effective more than PTFE content to remove water from GDL therefore, it is concluded that an effective water management may be achieved by a suitable treatment method such that no carbon fiber inside the GDL remains uncoated. And the binder could get the fibers together but the addition of this material may cause the slower remove of water droplet. Keywords: multiphase flow; proton exchange membrane fuel cell; gas diffusion layer; binder; water droplet dynamic behavior; lattice Boltzmann method.