بررسي عددي و تجربي عملكرد پيل سوختي PEM با كانال‌هاي جريان مارپيچ و موازي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي شيمي

دكتري

طراحي مناسب ميدان‌هاي جريان يكي از عوامل مهمي است كه مستقيماً بر عملكرد پيل‌هاي سوختي غشاي تبادل پروتون تأثير مي‌گذارد. ميدان‌هاي جريان نقش مهمي در انتقال مناسب گازهاي واكنش‌دهنده بر روي سطوح الكترود دارند. اعتقاد بر اين است كه توزيع همگن واكنش‌دهنده‌ها باعث بهبود واكنش الكتروشيميايي، مديريت آب، توزيع يكنواخت چگالي جريان و دما مي‌شود. عدم يكنواختي توزيع جريان ممكن است باعث مسدود شدن مسير جريان و جاري شدن سيلاب در سمت كاتد شود. از طرفي خشك شدن غشاء به دليل عدم يكنواختي توزيع دما است كه باعث افزايش مقاومت غشاء و در نتيجه كاهش رسانايي يوني و طول عمر غشاء مي‌شود. بنابراين، طراحي ميدان جريان كارآمد به‌عنوان يك ايده كاربردي مي‌تواند بر ايجاد اين مشكلات احتمالي غلبه كند كه لزوم اين تحقيق را بر ما آشكار مي‌سازد. در اين تحقيق به‌صورت عددي و آزمايشگاهي به بررسي تاثير هندسه ميدان جريان بر عملكرد پيل سوختي غشاي تبادل پروتون پرداخته شده است. با بررسي تحقيقات و مطالعات انجام شده در مورد هندسه هاي مختلف كانال هاي جريان، يك طرح جديد با الهام از طرح هاي مارپيچ و موازي براي افزايش انتقال جرم، مديريت آب و در نهايت افزايش عملكرد پيل پيشنهاد شده است. كاهش افت فشار و توزيع يكنواخت¬تر واكنش دهنده ها در ميدان هاي جريان به عنوان معيارهاي اساسي در طراحي درنظر گرفته شده است. براي دستيابي به اين اهداف، مدل‌هاي سه بعدي پيل سوختي غشاء تبادل پروتون با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي براي ميدان‌هاي جريان جديد(كه نوع V دندانه‌دار ناميده شده است) و رايج (مارپيچ، موازي و تركيب سري مارپيچ- موازي) تجزيه و تحليل شده اند. نتايج نشان داد كه افت فشار در طرح جديد نسبت به ساير موارد كمتر و توزيع سرعت نيز يكنواخت‌تر است. همچنين، نتايج نشان داد كه محتواي آب غشا در طرح V دندانه‌دار بيشتر از طرح‌هاي رايج است كه اين امر باعث افزايش هدايت پروتوني غشاء مي‌شود. علاوه بر اين، كانال هاي جريان پيشنهادي نسبت به طرح هاي مارپيچ و موازي براي حذف آب مايع عملكرد بهتري دارند، به طوري كه ميزان آب مايع توليد شده در طرح V دندانه‌دار به ترتيب حدود 3/16 درصد و 26/16 درصد كمتر از هندسه مارپيچ و موازي است. زماني كه آب مايع در كانال هاي V دندانه‌دار كاهش مي يابد، اكسيژن بيشتري در سطح الكترود كاتد نفوذ مي كند كه اين موضوع باعث بهبود شدت واكنش الكتروشيميايي، چگالي جريان و عملكرد پيل سوختي مي شود. در نهايت مشخص شد كه استفاده از كانال‌هاي V دندانه‌دار، شار چگالي جريان متوسط در سمت كاتد را در مقايسه با كانال‌هاي مارپيچ و موازي به ترتيب حدود 5/41 % و 88/21 % افزايش مي دهد. همچنين، نتايج منحني پلاريزاسيون به ترتيب افزايش 19/2 % و 5/2 % را در مدل V دندانه‌دار نسبت به كانال‌هاي مارپيچ و موازي نشان داد.

218094

مهندسي شيمي

مهندسي شيمي

دانشگاه صنعتي اصفهان