20387

۲۰۳۸۷

شبيه‌سازي عملكرد پيل سوختي غشاء پليمري توسط يك مدل سه‌بعدي دوفازي غير هم‌دما

كارشناسي ارشد

قواي محركه

1395-1397

۱۳۹۷/۱۱/۲۳

دكتر محمد حسن شجاعي فرد - دكتر علي قاسميان مقدم

خودرو

پيل‌هاي سوختي غشاء پليمري به دلايلي همچون عدم انتشار گازهاي خروجي مضر، زمان راه‌اندازي كوتاه و دماي عملكردي پايين به‌عنوان يكي از جايگزين‌ها براي موتورهاي احتراق داخلي موردتوجه سازندگان خودرو قرارگرفته اند. يكي از موضوعاتي كه در زمينه¬ي مديريت آب در اين نوع از پيل‌هاي سوختي مطرح مي‌گردد، بحث تحليل جريان دوفازي ايجادشده درون كانال گازهاي واكنش‌دهنده به‌خصوص در چگالي جريان‌هاي بالا مي‌باشد. علاوه¬براين نرخ توليد حرارت در پيل‌هاي سوختي غشاء پليمري با افزايش چگالي جريان الكتريكي (كاهش ولتاژ پيل سوختي)، افزايش مي‌يابد كه اين موضوع يك چالش اساسي را در بحث خنك‌كاري استك‌هاي پيل سوختي غشاء پليمري به‌خصوص استك‌ خودروهاي پيل سوختي كه نيازمند چگالي جريان بالا براي چگالي توان بالا مي‌باشند را مطرح مي‌كند. پيل‌هاي سوختي غشاء پليمري داراي دما¬ي عملكردي 60 تا 80 درجه سانتي‌گراد هستند و با در نظر گرفتن اختلاف دما كم بين استك و محيط، مديريت حرارتي و عملكرد بهينه سيستم خنك‌كاري نقش كليدي در عملكرد بهينه و دوام طول عمر استك پيل سوختي دارد. پژوهش حاضر با بهره‌گيري از يك مدل سه‌بعدي دوفازي غير هم¬دما در نرم‌افزار انسيس فلوئنت، انجام شده است. در ابتدا در اين پژوهش تأثير پارامترهاي عملكردي مانند رطوبت نسبي گازهاي واكنش‌دهنده، دماي كاري، فشار كاري و سرعت هوا¬ي ورودي در سمت كاتد بر روي عملكرد پيل سوختي (منحني قطبيت) و جريان دوفازي بررسي شد و سپس در تحليل حرارتي پيل سوختي غشاء پليمري، كانال خنك‌كاري در سمت كاتد اضافه شد تا علاوه¬ بر بررسي خنك‌كاري، تأثير آن بر روي جريان دوفازي نيز مورد ارزيابي قرار گيرد. بر اساس نتايجي كه در اين پژوهش به دست آمد، فشار كاري بيشترين تأثير را بر روي جريان دوفازي درون كانال گازهاي واكنش‌دهنده در پيل سوختي غشاء پليمري دارد و مشاهده شد كه اعمال خنك‌كاري نيز بر روي تحليل جريان دوفازي تأثيرگذار است.

1398/02/03

Simulation of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Performance by a Three-Dimensional Two-Phase Non-isothermal Model

4/23/2019 12:00:00 AM

Polymer electrolyte membrane fuel cells thanks to lack of emission of harmful exhaust gases, short start up time and low operating temperatures have been considered by car makers as one of the alternatives for internal combustion engines. One of the issues that is discussed in the water management of this type of fuel cell is the two-phase flow analysis which is generated within the channel of the reactant gases, especially in high current densities. In addition, the rate of heat generation in the PEM fuel cell increases with increasing the current density (decreasing the fuel cell voltage), which poses a major challenge in the cooling of the PEM fuel cell stacks, especially the automotive fuel cell stacks that need high current density for high power density. The PEMFCs have an operating temperature of 60 to 80 oC. With considering the low temperature difference between the stack and the ambient, thermal management and optimal operation of the cooling system play a key role in optimal performance and durability of the fuel cell stack. The present study was carried out by using a 3D non-isothermal two-phase model in ANSYS Fluent software. Initially, in this study, the effect of operating parameters such as relative humidity of the reactive gases, operating temperature, operating pressure and inlet air velocity on the cathode side were investigated on the performance of the fuel cell (polarization curve) and two-phase flow, and then in the thermal analysis of the PEM fuel cell, a cooling channel was added on the cathode side so that besides the cooling investigation, its effect on the two-phase flow is evaluated. Based on the obtained results in this study, the operating pressure has the greatest effect on the two-phase flow within the channel of the reactant gases in the PEMFC and it has been observed that cooling also affects the two-phase flow analysis.