مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی پارامتر‌های تخلخل بر انتقال آب در لایه نفوذی گاز کاتد پیل سوختی پلیمری با استفاده از روش شبکه بولتزمن

نویسندگان
1 دانشجوی دکترای مکانیک- دانشگاه بیرجند
2 عضو هیات علمی دانشگاه بیرجند
3 عضو هیات علمی- دانشگاه شهید باهنر کرمان
4 عضو هیات علمی دانشگاه بیرجند- دانشکده مهندسی - گروه مکانیک
5 عضو هیات علمی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرقته کرمان
چکیده
پیلهای سوختی پلیمری به دلیل دمایکار پایین، چگالی انرژی بالا در آیندهای نزدیک به طور چشمگیر مورد استفاده قرار میگیرند. مدیریت آب یکی از چالش های اصلی جهت توسعه و تجاری سازی پیلهای سوختی پلیمری است، که تاثیر قابل ملاحظهای بر عملکرد آنها دارد. از این رو درک چگونگی رفتار آب در پیل سوختی بسیار با اهمیت است . در این مقاله رفتار آب مایع در داخل لایه نفوذی گاز کاتد پیل سوختی پلیمری در مقیاس حفره مورد بررسی قرار گرفته است. محیط متخلخل مورد نظر )لایه نفوذی گاز کاتد( توسط دوایری با قطرهای مختلف و بصورت تصادفی ساخته شده است. از روش لتیس بولتزمن، مدل شبه پتانسیل شان و چن جهت شبیه سازی جریان دوفازی استفاده شده است. کد نوشته شده در سه حالت اعتبار سنجی شده و پس از آن تاثیر سه پارامتر اندازه منفذها، ضریب تخلخل و آبگریزی لایه نفوذی گاز بر انتقال آب مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این شبیه سازی نشان میدهند که اولا با گذشت زمان مقدار اشباع در لایه نفوذی گاز افزایش یافته و نهایتا به مقدار ثابتی میرسد. ثانیا با کاهش قطر منفذها، مقدار اشباع و تعداد میانگذرهای انتقال آب کاهش یافته شده و این باعث افزایش نفوذ اکسیژن میشود. از طرفی مقدار اشباع محلی در فصل مشترک کاتالیست و لایه نفوذی گاز بسمت یک میل میکند این نشان دهنده این است که در این نواحی مولکولهای اکسیژن بایستی در آب حل شده و سپس به کاتالیست برسند. همچنین مقدار آب مایع در داخل لایه متخلخل با افزایش آبگریزی کاهش مییابد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of porosity parameters variation on liquid water transport in gas diffusion layers of polymer electrolyte membrane fuel cells using the lattice Boltzmann method

نویسندگان English

mohammad habibolahi 1
Hassan Hassanzadeh 2
mohhammad rahnama 3
seyed ali mirbozorgi 4
null null 5
1 student
2 Member of univesity of Birjand
3 kerman
4 birjand uni
چکیده English

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs) has been widely used in recent decades due to operating at low temperature with high energy density. Water management is one of the main challenges for the development and commercialization of PEMFCs, which has a significant impact on their performance. The behavior of liquid water in the PEMFCs is very important. In this study a pore scale model is used to investigate liquid water transport in the gas diffusion layer (GDL) of PEMFCs. The GDL layer generated by randomly placing circular solid particles. The pseudo-potential lattice Boltzmann (LB) proposed by shan and chen is used to simulate two phase flow. The code was validated in three modes and is verified correctly then, the effect of three pore size particles, porosity coefficient and hydrophobicity of the GDL on the water transfer has been investigated. The results show that, over time, the amount of saturation in the GDL increases and ultimately reaches a constant value. In addition to by reducing the diameter of the particles, the amount of saturation and the number of breakthrough sites decreased, which increases the oxygen penetration.Also, the amount of local water saturation in the catalyst layer (CL) interface and the GDL tends toward one, indicating that oxygen molecules in these regions should be dissolved in water and then fed to the CL. In addition to, the amount of liquid water inside the porous layer decreases with increasing hydrophobicity

کلیدواژه‌ها English

Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Lattice Boltzmann Method
Gas Diffusion Layer
Two phase flow
1. B. Langenecker, Effects of Ultrasound on Deformation Characteristics of Metals. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, 13(1): pp 1-, 1966.
2. O.K. Izumi, Y. Oyama and Y. Suzuki, Effects of superimposed ultrasonic vibration on compressive deformation of metals. Transactions of the Japan institute of metals, 7(3): p. 162-16, 1966.
3. Y. Daud, M. Lucas, and Z. Huang, Modelling the effects of superimposed ultrasonic vibrations on tension and compression tests of aluminium. Journal of Materials Processing Technology, 186(1): pp 179-190, 2007.
4. T. Wen, et al, Effects of ultrasonic vibration on plastic deformation of AZ31 during the tensile process. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials, 18(1): pp 70-76, 2011.
5. M. Shalvandi, et al, Influence of ultrasonic stress relief on stainless steel 316 specimens: A comparison with thermal stress relief, Materials & Design, 46: p. 713-723, 2013.
6. F. Ahmadi, M. Farzin, and M. Mandegari, Effect of grain size on ultrasonic softening of pure aluminum. Ultrasonics, 63: pp 111-117, 2015.
7. C.Wang, et al, Acoustic softening and stress superposition in ultrasonic vibration assisted uniaxial tension of copper foil: Experiments and modeling. Materials & Design, 112: pp 246-253, 2016.
8. G.F. Vander Voort, et al, ASM handbook. Metallography and microstructures, 9, 2004.
9. A. Standard, E8-04, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, Annual Book of ASTM Standards, 3, 2004.
10. A.Siddiq, and T. El Sayed, Acoustic softening in metals during ultrasonic assisted deformation via CP-FEM. Materials Letters, 65(2): p. 356-359, 2011.