بررسی عددی انتقال حرارت و جریان سیال در پیل سوختی غشای پلیمری و کانال‌های خنک‌کاری

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، ایران

چکیده

در این مقاله، به روش عددی انتقال حرارت و جریان سیال در پیل سوختی غشای پلیمری و کانال‌های خنک‌کاری، با الگوی کانال موازی و استفاده از آب مایع در کانال‌های مجزای تعبیه‌شده در صفحه دو قطبی، بررسی گردیده و عملکرد چهار طرح مختلف میدان جریان گاز و خنک‌کاری، براساس عدم نیاز به شرط مرزی حرارتی بیرونی، یکنواختی دما با استفاده از نرم‌افزار انسیس-فلوئنت شبیه‌سازی و با یکدیگر مقایسه گردیده است. نتایج نشان داد که با افزایش عدد رینولدز جریان خنک‌کاری از 40 به 800، افت فشار در مسیر کانال جریان خنک‌کاری از 40 به 640 پاسکال می‌رسد. از طرفی عدد ناسلت جریان خنک‌کاری با تغییر عدد رینولدز جریان خنک‌کاری از 40 تا 400 به صورت نمایی از 350 تا حدود 700 رشد می‌کند و پس از آن ثابت می‌شود. همچنین نتایج نشان داد که بهترین عملکرد پیل در عدد رینولدز 60 بدست آمده است، زیرا با افزایش عدد رینولدز جریان خنک‌کاری و افزایش افت فشار توان پارازیتی سیستم بالا می‌رود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Dyer, Christopher K. Fuel cells for portable applications. Journal of Power Sources, 106(1-2):31–34, 2002.
[2] Wan, ZM, Wan, JH, Liu, J, Tu, ZK, Pan, M, Liu, ZC, and Liu, W. Water recovery and air humidification by condensing the moisture in the outlet gas of a proton exchange membrane fuel cell stack. Applied Thermal Engineering, 42:173–178, 2012.
[3] Li, Ke, Ye, Gongbo, Pan, Jingjing, Zhang, Haining, and Pan, Mu. Self-assembled nafion®/metal oxide nanoparticles hybrid proton exchange membranes. Journal of Membrane Science, 347(1-2):26–31, 2010.
[4] Oh, Si-Doek, Kim, Ki-Young, Oh, Shuk-Bum, and Kwak, Ho-Young. Optimal operation of a 1-kW PEMFC-based CHP system for residential applications. Applied Energy, 95:93–101, 2012.
[5] Barbir, Frano. PEM fuel cells: theory and practice. Academic press, 2012.
[6] Chen, F.C., Gao, Z., Loutfy, R.O., and Hecht, M. Analysis of optimal heat transfer in a pem fuel cell cooling plate. Fuel Cells, 3(4):181–188, 2003.
[7] Kumar, Atul and Reddy, Ramana G. Materials and design development for bipolar/end plates in fuel cells. Journal of Power Sources, 129(1):62–67, 2004. Selected papers presented at the conference High Energy Density Electrochemical Power Sources.
[8] Senn, S. M. and Poulikakos, D. Polymer electrolyte fuel cells with porous materials as fluid distributors and comparisons with traditional channeled systems. Journal of Heat Transfer, 126(3):410–418, Jun 2004.
[9] Choi, Jongmin, Kim, Yoon-Ho, Lee, Yongtaek, Lee, KyuJung, and Kim, Yongchan. Numerical analysis on the performance of cooling plates in a pefc. Journal of Mechanical Science and Technology, 22(7):1417–1425, Jul 2008.
[10] Nam, Jin Hyun, Lee, Kyu-Jin, Sohn, Sangho, and Kim, Charn-Jung. Multi-pass serpentine flow-fields to enhance under-rib convection in polymer electrolyte membrane fuel cells: Design and geometrical characterization. Journal of Power Sources, 188(1):14–23, 2009.
[11] Baek, Seung Man, Yu, Seung Ho, Nam, Jin Hyun, and Kim, Charn-Jung. A numerical study on uniform cooling of large-scale pemfcs with different coolant flow field designs. Applied Thermal Engineering, 31(8):1427–1434, 2011.
[12] Asghari, Saeed, Akhgar, Hooman, and Imani, Bagher Faghih. Design of thermal management subsystem for a 5kw polymer electrolyte membrane fuel cell system. Journal of Power Sources, 196(6):3141–3148, 2011.
[13] Sasmito, Agus P., Birgersson, Erik, and Mujumdar, Arun S. Numerical investigation of liquid water cooling for a proton exchange membrane fuel cell stack. Heat Transfer Engineering, 32(2):151–167, 2011.
[14] Afshari, Ebrahim, Ziaei-Rad, Masoud, and Dehkordi, Mehdi Mosharaf. Numerical investigation on a novel zigzag-shaped flow channel design for cooling plates of pem fuel cells. Journal of the Energy Institute, 90(5):752–763, 2017.
[15] Afshari, Ebrahim, Ziaei-Rad, Masoud, and Jahantigh, Nabi. Analytical and numerical study on cooling flow field designs performance of pem fuel cell with variable heat flux. Modern Physics Letters B, 30(16):1650155, 2016.
[16] Afshari, Ebrahim, Ziaei-Rad, Masoud, and Shariati, Zahra. A study on using metal foam as coolant fluid distributor in the polymer electrolyte membrane fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy, 41(3):1902–1912, 2016.
[17] Ghasemi, M., Ramiar, A., Ranjbar, A.A., and Rahgoshay, S.M. A numerical study on thermal analysis and cooling flow fields effect on pemfc performance. International Journal of Hydrogen Energy, 42(38):24319–24337, 2017.
[18] Rahgoshay, S.M., Ranjbar, A.A., Ramiar, A., and Alizadeh, E. Thermal investigation of a pem fuel cell with cooling flow field. Energy, 134:61–73, 2017.
[19] Berning, T and Djilali, N. Three-dimensional computational analysis of transport phenomena in a pem fuel cell— a parametric study. Journal of Power Sources, 124(2):440– 452, 2003.
[20] Larminie, James, Dicks, Andrew, and McDonald, Maurice S. Fuel cell systems explained, vol. 2. J. Wiley Chichester, UK, 2003.
[21] SGL Group: SIGRACET GDL for Fuel Cells, 2016.
[22] Ge, Shan-Hai and Yi, Bao-Lian. A mathematical model for pemfc in different flow modes. Journal of Power Sources, 124(1):1–11, 2003.
[23] Mazumder, Sandip and Cole, James Vernon. Rigorous 3-d mathematical modeling of PEM fuel cells. Journal of The Electrochemical Society, 150(11):A1503, 2003.