18497

۱۸۴۹۷

بررسي اثر ساختار لايه‌ي نفوذ گاز بر مديريت آب در پيل سوختي پليمري با استفاده از روش شبكه-بولتزمن

كارشناسي ارشد

قواي محركه

بهمن ماه ۱۳۹۶

دكتر محمد حسن شجاعي فرد - دكتر غلامرضا مولايي منش

خودرو

با توجه به گسترش روزافزون آلايندگي‌ها و محدود بودن سوخت‌هاي فسيلي توجه به پيل سوختي اهميت زيادي پيدا كرده است. پيل‌هاي سوختي پليمري در مقايسه با ساير پيل‌هاي سوختي رايج داراي راندمان بالاتري مي‌باشند و در مقايسه با انواع ديگر پيل سوختي، براي يك حجم و وزن معلوم، توان بيشتري توليد مي‌كنند. اين نوع پيل‌هاي سوختي به دليل دماي پايين به زمان كمي براي راه‌اندازي نياز دارد؛ همين خصوصيت آنها را بهترين گزينه در كاربردهاي وسايل نقليه به‌ عنوان جايگزين براي موتور احتراق داخلي ديزلي و بنزيني معرفي مي‌نمايد. يك بحث بسيار مهم در عملكرد پيل‌هاي سوختي پليمري مديريت آب در آنها است كه افزايش و كاهش بيش‌ از حد آب موجب بروز اختلال در عملكرد پيل سوختي مي‌شود. پيل سوختي پليمري داراي محيطي متخلخل و ناهمگن است، از اين‌ رو براي شبيه‌سازي جريان آب در چنين محيطي استفاده از روش شبكه ـ بولتزمن مزاياي فراواني به همراه دارد. هدف از اين پژوهش بررسي اثر فشردگي لايه‌ي نفوذ گاز و زاويه‌ي تماس قطره آب با الياف كربن (بخش اول) و همچنين اثر نحوه‌ي توزيع الياف كربن (بخش دوم) روي رفتار ديناميكي قطره آب در طول حركت در لايه‌ي نفوذ گاز مي‌باشد. در اين پژوهش شبيه‌سازي حركت قطره آب در لايه‌ي نفوذ گاز براي چهار ميزان مختلف فشردگي 0%، 15%، 20% و 25% با سه زاويه‌ي تماس مختلف 80 ، 105 (آب‌گريز) و 150 (به شدت آب‌گريز) انجام شده است و همچنين به طور مجزا حركت قطره آب با سه شعاع مختلف 15 ميكرومتر، 20 ميكرومتر و 25 ميكرومتر در لايه‌ي نفوذ گاز با سه مقدار متفاوت ميزان ناهمسانگردي 1 (توزيع الياف كربن به صورت كاملاً همسانگرد)، 10 (توزيع الياف كربن به صورت افقي ولي نه كاملاً افقي)، 100 (توزيع الياف كربن به صورت كاملاً افقي) مورد بررسي قرار گرفته است. در بخش اول نتايج نشان مي‌دهند كه به طور كلي فشرده كردن لايه‌ي نفوذ گاز و افزايش آب‌گريزي الياف كربني باعث دفع سريع‌تر قطره از لايه‌ي نفوذ گاز مي‌شوند، ولي براي هر زاويه‌ي تماس يك فشردگي خاص وجود دارد كه در آن فشردگي قطره آب سريع‌تر از ساير فشردگي‌ها از لايه‌ي نفوذ گاز دفع مي‌شود. در بخش دوم نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهند كه براي قطره‌هايي با شعاع كم افزايش ميزان ناهمسانگردي از عدد ۱ كه مربوط به توزيع الياف كاملاً همسانگرد است، موجب دفع سريع‌تر قطره آب از لايه‌ي نفوذ گاز مي‌شوند، ولي براي قطره‌هايي با شعاع بزرگ افزايش ميزان ناهمسانگردي كمكي به دفع سريع‌تر قطره آب نمي‌كند. واژه‌هاي كليدي: پيل سوختي پليمري، مديريت آب، لايه‌ي نفوذ گاز، فشردگي، زاويه‌ي تماس، روش شبكه ـ بولتزمن

1396/12/02

2/19/2018 12:00:00 AM

Proton exchange membrane (PEM) fuel cells are prime candidates for propulsion systems of modern electric vehicles. However, appropriate water management is crucial to performance. Cell compression can affect the performance and water management of PEM fuel cells. Although the effect of cell compression on the transport of continuous water flow through the porous electrodes is investigated, the effect of cell compression on the droplet dynamic behavior through these electrodes is not well-investigated. Employing a pore-scale simulation method such as lattice Boltzmann method (LBM) is one of the best means for such investigation. In first investigation, the influence of compression and contact angle on water droplet dynamic behavior during removal from GDL is inspected by numerous 3D LB simulation. Three different contact angles of 80, 105 and 150 has been investigated which each contact angle consists of four compressions of 0%, 15%, 20% and 25%. The results illustrate that in general influence of compression helps to water droplet removes from GDL easily but the role of contact angle is also important for example the contact angle of 150 (very hydrophobic) in compression of 25% helps to water droplet removes easily than other contact angles. However, for each contact angle a specific amount of compression exists in which water droplet removes from GDL sooner than other cases. Second study is about the role of anisotropy parameter on the water droplet dynamic behavior. Anisotropy parameter equal to 1 denotes to the isotropic alignment of fibers, and larger amount of this parameter denotes to horizontally aligned fibers. In this study, the results show that for smaller water droplet size, increasing of anisotropy parameter helps water droplet removal from GDL. But for larger droplet size, increasing of anisotropy parameter does not help water droplet removal. Keywords: PEM fuel cell; water management; gas diffusion layer (GDL); compression; contact angle; lattice Boltzmann method (LBM).