پیوندهای مفید
آمار
| تعداد نشریات | 8 |
| تعداد شماره‌ها | 427 |
| تعداد مقالات | 5,562 |
| تعداد مشاهده مقاله | 6,725,062 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 5,684,660 |
بررسی آزمایشگاهی تأثیر شرایط عملکردی مختلف پیل سوختی غشای پلیمری برتوان تولیدی و مدیریت آب | ||
| نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر | ||
| مقاله 19، دوره 52، شماره 11، بهمن 1399، صفحه 3257-3274 اصل مقاله (2.81 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/mej.2019.15895.6273 | ||
| نویسندگان | ||
| محمدرضا هاشمی نسب؛ محمد جعفر کرمانی* ؛ سید سلمان نورآذر؛ محمدحسن خودسیانی | ||
| دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| در پژوهش حاضر تأثیر استوکیومتری آند،کاتد و دمای گازهای ورودی بر مدیریت آب و عملکرد پیل سوختی غشای پلیمری با استفاده از تکنیک طراحی آزمایش و عکس‌برداری مستقیم موردمطالعه قرارگرفته است. به‌منظور مشاهده انباشت آب در کانال‌های جریان سمت کاتد، پیل سوختی غشای پلیمری با صفحات انتهایی شفاف در آزمایشگاه تحقیقاتی پیل سوختی دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیرکبیر طراحی و ساخته شده است. طراحی کلیه آزمایش‌ها با استفاده از روش رویه پاسخ و طرح مرکب مرکزی انجام پذیرفته است. در هر شرایط کارکردی، نمودارهای عملکردی برحسب زمان برای پیل ثبت و هم زمان از کانال‌های جریان سمت کاتد فیلم‌برداری گردیده است. در ادامه با استفاده از تکنیک پردازش تصویر دیجیتال، مساحتی از کانال‌ها که توسط توده‌های آب اشغال شده، اندازه‌گیری و ثبت شده است. پارامتر ضریب آب پوشانی که از تقسیم مساحت توده‌های آب انباشته شده در کانال‌های جریان به مساحت کانال‌ها حاصل می‌گردد به عنوان معیار مطالعه پدیده طغیان مورداستفاده قرارگرفته است. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد افزایش استوکیومتری آند، کاتد و دمای گازهای ورودی سبب کاهش ضریب آب پوشانی می‌گردد. همچنین در مقادیر توان بهینه میزان ضریب آب پوشانی در محدوده 8/ 1 تا 3/ 4 قرار می‌گیرد. بررسی تأثیر شرایط کارکردی مختلف نشان می‌دهد که در مقادیر استوکیومتری کاتد بالا بایستی دمای گازهای ورودی و نرخ استوکیومتری آند در مقادیر پایین قرار گیرند. از طرفی مطالعه نحوه اثرگذاری دمای گازهای ورودی نشان می‌دهد که به هنگام استفاده از گازهای گرم، مقادیر استوکیومتری کم آند و کاتد سبب دستیابی به حداکثر توان می‌گردد. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| پیل سوختی غشا پلیمری؛ مدیریت آب در پیل سوختی غشای پلیمری؛ طراحی آزمایش؛ روش رویه پاسخ؛ پردازش تصویر دیجیتال | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Experimental Investigation of the Influence of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells Operating Conditions on Its Performance and Water Management | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Mohammadreza Hasheminasab؛ Mohammad J. Kermani؛ Seyed Salman Nourazar؛ Mohammadhassan Khodsiani | ||
| Fuel Cell Research Laboratory, Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, 424 Hafez Ave., Tehran, Iran, P. Code 15875-4413 | ||
| چکیده [English] | ||
| In this research, the effect of anode stoichiometry, cathode stoichiometry and temperature of inlet gases on water management and performance of a polymer electrolyte membrane fuel cell is studied by means of design of experiments and direct visualization. In order to visualize the liquid water accumulation in cathode flow channels, a transparent polymer electrolyte membrane fuel cell is manufactured in the fuel cell research laboratory of Amirkabir University of Technology. The design of experiments is based on response surface method. Cell’s performance is recorded over the test time and a video is simultaneously captured from its transparent cathode flow channels. Then, a digital image processing technique is used to quantify channel areas that are occupied by liquid water. The area of regions containing liquid water is divided by the total area of flow channels to calculate a parameter called water coverage ratio which is then used to study flooding phenomenon. Results show that increase in cathode stoichiometry, anode stoichiometry and gas inlet temperature leads to a decrease in water coverage ratio. Also, water coverage ratio lies between 1.8 and 4.3 when an optimized produced power is reached. As proved, anode and cathode stoichiometry has to be minimized to reach the maximum produced power at a high inlet gas temperature. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Polymer electrolyte membrane fuel cell, Water managementPolymer electrolyte membrane fuel cell, Design of experiment, Response surface method, Digital image processing | ||
| مراجع | ||
|
[1] Y.B. Kim, Study on the effect of humidity and stoichiometry on the water saturation of PEM fuel cells, International Journal of Energy Research, 36(4) (2012) 509-522. [2] J.P. Owejan, T.A. Trabold, J.J. Gagliardo, D.L. Jacobson, R.N. Carter, D.S. Hussey, M. Arif, Voltage instability in a simulated fuel cell stack correlated to cathode water accumulation, Journal of Power Sources, 171(2) (2007) 626-633. [3] S. Endoo, K. Pruksathorn, P. Piumsomboon, Identification of the key variables in membrane electrode preparation for PEM fuel cells by a factorial design, Renewable Energy, 35(4) (2010) 807-813. [4] R. Anderson, L. Zhang, Y. Ding, M. Blanco, X. Bi, D.P. Wilkinson, A critical review of two-phase flow in gas flow channels of proton exchange membrane fuel cells, Journal of Power Sources, 195(15) (2010) 4531- 4553. [5] R. Anderson, M. Blanco, X. Bi, D.P. Wilkinson, Anode water removal and cathode gas diffusion layer flooding in a proton exchange membrane fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, 37(21) (2012) 16093-16103. [6] Z.X. Chen, D.B. Ingham, M.S. Ismail, L. Ma, K.J.Hughes, M. Pourkashanian, Dynamics of liquid water in the anode flow channels of PEM fuel cells: A numerical parametric study, Journal of the Energy Institute, (2018). [7] M. Ashrafi, M. Shams, The effects of flow-field orientation on water management in PEM fuel cells with serpentine channels, Applied Energy, 208 (2017) 1083-1096. [8] M. Ashrafi, H. Kanani, M. Shams, Numerical and experimental study of two-phase flow uniformity in channels of parallel PEM fuel cells with modified Z-type flow-fields, Energy, 147 (2018) 317-328. [9] J.M. Sergi, S.G. Kandlikar, Quantification and characterization of water coverage in PEMFC gas channels using simultaneous anode and cathode visualization and image processing, International Journal of Hydrogen Energy, 36(19) (2011) 12381- 12392. [10] J.P. Owejan, T.A. Trabold, D.L. Jacobson, M. Arif, S.G. Kandlikar, Effects of flow field and diffusion layer properties on water accumulation in a PEM fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, 32(17) (2007) 4489-4502. [11] R. Banerjee, S.G. Kandlikar, Experimental investigation of two-phase flow pressure drop transients in polymer electrolyte membrane fuel cell reactant channels and their impact on the cell performance, Journal of Power Sources, 268 (2014) 194-203. [12] S.G. Kandlikar, E.J. See, M. Koz, P. Gopalan, R. Banerjee, Two-phase flow in GDL and reactant channels of a proton exchange membrane fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, 39(12) (2014) 6620-6636. [13] Z. Lu, S.G. Kandlikar, C. Rath, M. Grimm, W. Domigan, A.D. White, M. Hardbarger, J.P. Owejan, T.A. Trabold, Water management studies in PEM fuel cells, Part II: Ex situ investigation of flow maldistribution, pressure drop and two-phase flow pattern in gas channels, International Journal of Hydrogen Energy, 34(8) (2009) 3445-3456. [14] I.S. Hussaini, C.-Y. Wang, Visualization and quantification of cathode channel flooding in PEM fuel cells, Journal of Power Sources, 187(2) (2009) 444-451. [15] D. Spernjak, A.K. Prasad, S.G. Advani, In situ comparison of water content and dynamics in parallel, single-serpentine, and interdigitated flow fields of polymer electrolyte membrane fuel cells, Journal of Power Sources, 195(11) (2010) 3553-3568. [16] J.M. LaManna, S. Chakraborty, J.J. Gagliardo, M.M. Mench, Isolation of transport mechanisms in PEFCs using high resolution neutron imaging, International Journal of Hydrogen Energy, 39(7) (2014) 3387-3396. [17] S.S. Alrwashdeh, I. Manke, H. Markötter, J. Haußmann, N. Kardjilov, A. Hilger, M.J. Kermani, M. Klages, A.M. Al-Falahat, J. Scholta, J. Banhart, Neutron radiographic in operando investigation of water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells with channel barriers, Energy Conversion and Management, 148(Supplement C) (2017) 604-610. [18] D. Muirhead, R. Banerjee, M.G. George, N. Ge, P. Shrestha, H. Liu, J. Lee, A. Bazylak, Liquid water saturation and oxygen transport resistance in polymer electrolyte membrane fuel cell gas diffusion layers, Electrochimica Acta, 274 (2018) 250-265. [19] R. Banerjee, N. Ge, C. Han, J. Lee, M.G. George, H. Liu, D. Muirhead, P. Shrestha, A. Bazylak, Identifying in operando changes in membrane hydration in polymer electrolyte membrane fuel cells using synchrotron X-ray radiography, International Journal of Hydrogen Energy, 43(20) (2018) 9757-9769. [20] Z. Dunbar, R.I. Masel, Quantitative MRI study of water distribution during operation of a PEM fuel cell using Teflon flow fields, Journal of Power Sources, 171(2) (2007) 678-687. [21] T. Suzuki, Y. Tabuchi, S. Tsushima, S. Hirai, Measurement of water content distribution in catalyst coated membranes under water permeation conditions by magnetic resonance imaging, International Journal of Hydrogen Energy, 36(9) (2011) 5479-5486. [22] A. Bozorgnezhad, M. Shams, H. Kanani, M. Hasheminasab, G. Ahmadi, The experimental study of water management in the cathode channel of single- serpentine transparent proton exchange membrane fuel cell by direct visualization, International Journal of Hydrogen Energy, 40(6) (2015) 2808-2832. [23] R. Banerjee, S.G. Kandlikar, Liquid water quantification in the cathode side gas channels of a proton exchange membrane fuel cell through two- phase flow visualization, Journal of Power Sources, 247 (2014) 9-19. [24] A. Bazylak, Liquid water visualization in PEM fuel cells: A review, International Journal of Hydrogen Energy, 34(9) (2009) 3845-3857. [25] A. Bozorgnezhad, M. Shams, H. Kanani, M. Hasheminasab, G. Ahmadi, Two-phase flow and droplet behavior in microchannels of PEM fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy, 41(42) (2016) 1-18. [26] K. Tüber, D. Pócza, C. Hebling, Visualization of water buildup in the cathode of a transparent PEM fuel cell, Journal of Power Sources, 124(2) (2003) 403- 414. [27] T. Ous, C. Arcoumanis, Visualisation of water accumulation in the flow channels of PEMFC under various operating conditions, Journal of Power Sources, 187(1) (2009) 182-189. [28] R.M. Aslam, D.B. Ingham, M.S. Ismail, K.J. Hughes, L. Ma, M. Pourkashanian, Simultaneous direct visualisation of liquid water in the cathode and anode serpentine flow channels of proton exchange membrane (PEM) fuel cells, Journal of the Energy Institute, 91(6) (2018) 1057-1070. [29] R.M. Aslam, D.B. Ingham, M.S. Ismail, K.J. Hughes, L. Ma, M. Pourkashanian, Simultaneous thermal and visual imaging of liquid water of the PEM fuel cell flow channels, Journal of the Energy Institute, (2018). [30] B. Wahdame, D. Candusso, X. François, F. Harel, J.-M. Kauffmann, G. Coquery, Design of experiment techniques for fuel cell characterisation and development, International Journal of Hydrogen Energy, 34(2) (2009) 967-980. [31] H. Kanani, M. Shams, M. Hasheminasab, A. Bozorgnezhad, Model development and optimization of operating conditions to maximize PEMFC performance by response surface methodology, Energy Conversion and Management, 93 (2015) 9-22. [32] S.-J. Wu, S.-W. Shiah, W.-L. Yu, Parametric analysis of proton exchange membrane fuel cell performance by using the Taguchi method and a neural network, Renewable Energy, 34(1) (2009) 135-144. [33] S. Kaytakoğlu, L. Akyalçın, Optimization of parametric performance of a PEMFC, International Journal of Hydrogen Energy, 32(17) (2007) 4418- 4423. [34] R.C. Gonzalez, R.E. Woods, Digital Image Processing (3rd Edition), Prentice-Hall, Inc., 2006. [35] D.C. Montgomery, Design and Analysis of Experiments, John Wiley & Sons, 2008. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 789 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,166 |
||