بخشی از مقاله
چکیده
مدیریت حرارت، مدیریت آب و توزیع یکنواخت دما، از چالش های اصلی پیشه رو در طراحی پیلهای سوختی غشاء پلیمری میباشد. تحقیقات بی شماری در این نوع پیلها که از صفحات دو قطبی گرافیتی ت شکیل شدهاند به عمل آمده ا ست. در این مقاله برای پیلهای سوختی غشاء پلیمری که از صفحات دو قطبی فلزی ساخته شدهاند به کمک طراحی یک صفحه نازک به نام اسپیسر - جداکننده - که بین دو سلول از پیل قرار میگیرد فرایند خنک کاری و توزیع دما مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
از مزیتهای استفاده از صفحات دوقطبی فلزی که تاکنون در منابع آزاد مشاهده نشده است، کاهش 23 برابری حجم پیل در مقایسه با پیلهای سوختی با صفحات گرافیتی می باشد. همچنین نتایج نشان داد که وجود صفحه اسپیسر تاثیر بسزایی در خنک کاری دارد. از اینرو اعتقاد بر این است که نتایج این تحقیق می تواند گام موثری در انبوه سازی و تجاری سازی پیلهای سوختی غشاء پلیمری با صفحات دو قطبی فلزی بردارد.
-1 مقدمه
پیل سوختی غشاء پلیمری نوعی پیل سوختی میباشد که با سوخت هیدروژن کار میکند و عملکرد آن در محدوده دمایی پایین بین 160-60 درجه سانتیگراد قرار می گیرد . این نوع پیل های سوختی در ایستگاه های ثابت و متحرک کاربرد دارند. توزیع دمایی این نوع از پیل های سوختی بسیار در عملکرد و طول عمر آن موثر است 2]،[ 1 و همچنین مدیریت آبی و گرمایی پیل سوختی از چالشهای پیشه رو در طراحی این سیستمها میباشد 4]، .[3 دمای بالا موجب تضعیف شدید عملکرد غشاء پلیمری و لایه کاتالیستی پیل سوختی می شود6]،.[5 این در حالیست که دمای پایینتر موجب کاهش نرخ واکنش و غرقاب شدن پیل به دلیل کاهش فشار آب اشباع در دماهای پایین می باشد که خود چالشی مهم از نگاه مدیریت آبی میباشد.[7-9]
پژوهشگران زیادی به طراحی میدان خنک کاری مناسب برای پیل سوختی غشاء پلیمری پرداختهاند که بنابر کاربرد آن روشهای مختلفی هم ارائه شده از جمله خنک کاری به کمک پخش کنندههای حرارتی، خنک کاری به کمک تعبیه کانال های مجزا برای سیال هوا و خنک کاری به کمک آب. خنک کاری به روش پخش کنندههای حرارتی که به خنک کاری پسیو - غیر فعال - هم نامیده میشود 11]،[10، مزایا و معایب خاص خود را دارد. از مزایای این روش میتوان به عدم نیاز به چرخه خنک کاری با سیال عامل را نام برد که بسیار حجم سیستم را کاهش داده و نیاز به توان مصرفی پمپ هم از میان برداشته میشود.
اما برای دفع حرارت اضافی نیاز به استفاده از موادی با رسانایی بسیار بالا میباشد و همچنین باید برای پیلهای سوختی که در دماهای بالا - بیشتر از - 100 C کار میکنند استفاده شود. خنک کاری با استفاده از سیال هوا میتواند به دو صورت انجام شود. خنک کاری پیل با جریان هوای ورودی به کاتد و یا تعبیه کانالهای مجزای مناسب برای عبور هوا. در صورتی که در این روش از هوای ورودی به پیل هم برای اکسایشگر و هم خنک کاری سیستم استفاده شود احتمال خشک شدن غشاء میباشد بنابراین توصیه میشود راهگاه های جدا برای عبور هوا تعبیه شود.
خنک کاری با سیال هوا برای پیل های سوختی با توان 100W تا 2kW به کار میرود و برای توان های بیشتر از 5kW باید از مایع خنک کن اسفاده شود، زیرا که در توان های برابر ضریب انتقال حرارت در جریان مایعات به مراتب بیشتر از گازها میباشد .[12] در روش خنک کاری با سیال خنک کن مایع، سیستم خنک کاری جداگانهای طراحی میشود که سیال خنک کن از میان آن عبور میکند.
این سیستم به صفحات دو قطبی فلزی کوپل میشود و گرمای پیل را گرفته و آن را به طور یکنواخت توزیع میکند و از گرم شدن بیش از حد آن جلوگیری میکند. امیر افضلی و همکاران [13] مدیریت گرمایی یک پیل را شبیه سازی کردند و به این نتیجه رسیدند که صفحه خنک کن Z شکل، خنک کاری یکنواختتری نسبت به صفحه U شکل دارد.
طرح های مختلف زیادی برای میدان خنک کاری انجام شده است از جمله طرح بهینه سازی شده علی زاده و همکاران برای توزیع یکنواخت دما و دفع مناسب گرما .[14] من بائک و همکاران[15] شش طرح مختلف برای خنک کاری پیل سوختی غشا پلیمری را به طور عددی مورد بررسی قرار دادند و کانتورهای دما را مقایسه کردند. همچنین طرح زیگزاگ پیشنهادیه افشاری و همکاران [16] که نشان داد ماکسیمم دمای صفحه %5 نسبت به حالتی که از طرح کانال مستقیم استفاده شود کاهش مییابد. در این تحقیق هدف این است که بتوانیم میدان خنک کاری را طراحی کنیم که حجم و هزینه بسیار کمتری را داشته باشد و همچنین کارایی مناسب خود را حفظ کند.
-2طراحی صفحات جدا کننده1 و شبکهبندی
میدان های خنک کاری که با سیال مایع عمل میکنند در بین دو سلول قرار میگیرند و با شیارهای معمولا مارپیچی شکل وظیفه خنک کاری پیل را به عهده دارند. در پیل های فلزی برای اینکه هزینه تولید و ساخت این نوع پیل ها کاهش یابد تلاش در این بوده که با ساخت یک صفحه نازک - اسپیسر - که بین دو صفحه پیل قرار میگیرد بتوان راهگاه های مناسب برای عبور جریان سیال را ایجاد کرد که خنک کاری صورت پذیرد.
دو صفحه سوخت و اکسایش گر که پروفیلی مشابه دارند به قرینه هم رو به روی هم قرار میگیرند که صفحه ا سپی سر بین آن دو جای میگیرد و سیال خنک کن مایع از بین شیار ها و راهگاه هایی که به وجود میآید عبور میکند. صفحات دو قطبی سوخت و اکسایشگر پروفیلی بهینه سازی شده دارند که به گونه ای طراحی شدهاند واکنشگرها در بهترین حالت توزیع یابند.
این پروفیل نیز به کمک قالبی با پرس کردن بر روی یک صفحه فلزی نازک ایجاد می شود. طبیعتا با پرس کردن یا ف شردن صفحه فلزی برج ستگی هایی در پ شت صفحه ایجاد می شود که طراحی میدان خنک کاری را پیچیدهتر میکند. طرح اولیه ا سپی سر در شکل 1 ن شان داده شده ا ست. همان طور که تو ضیح داده شد این ا سپی سر بین صفحات فلزی کاتد و آند قرار میگیرد به صورتی که صفحات کاتد و آند پ شت به هم ه ستند. شکل 2 نحوه قرارگیری اسپیسر بر روی صفحه فلزی را نشان میدهد.
استفاده از اسپیسر برای اولین بار در این پژوهش برای خنک کاری پیل سوختی غشاء پلیمری با صفحات دو قطبی فلزی بررسی شده است و در صورت استفاده از این صفحه بسیار نازک که ضخامتی به اندازه 0,1 mm دارد حجم پیل را می توان تا 23 برابر در مقای سه با صفحات گرافیتی کاهش داد. محیط طراحی هند سه م سئله در نرم فزار SOLIDWORKS انجام شده است و سپس با وارد کردن هندسه مسئله در محیط ANSYS FLUENT مسئله را مش زده و آماده حل میشود.
از پیچیدگی های روند تحلیل م سئله میتوان به طراحی هند سه و مش زدن آن ا شاره نمود که به دلیل نازک بودن ضخامت ورق و باریک بودن راهگاه های عبور آب، مسئله به تعداد مش بسیار بالا نیاز داشته تا از به وجود آمدن اتصال غیر معمول بین صفحات جلوگیری کرده و بتوان مش مناسبی را در قسمت های منحنی دار شکل زد. مجموع تعداد مش صفحات جامد و سیال بیش از 10000000 شده که برای حل آن از سیستم 32 هسته ای با پردازنده 64GB استفاده شده است.
