PEMFC المساهمة في دراسة ظواهر النقل في خلية وقود من نوع غشاء التبادل البروتوني

Abstract

بسبب أزمة الطاقة وارتفاع مستوى التلوث حول العالم، سجل اهتمام كبير بخلية الوقود، إذ لا ينتج منها سوى الماء والحرارة. خلية وقود غشاء تبادل البروتون (PEMFC) عبارة عن جهاز كهروكيميائي مصمم لتحويل الطاقة الكيميائية مباشرة بكفاءة عالية من تفاعل الهيدروجين والأكسجين إلى كهرباء. يتمثل التحدي الرئيسي لتحسين خصائص خلايا الوقود في الحصول على توزيع موحد لدرجة الحرارة أثناء تشغيلها، حيث يتم تحويل جزء كبير من الطاقة الكيميائية الهيدروجينية إلى حرارة. إذا لم يتم استنفاد حرارة هذا التفاعل الكيميائي بشكل صحيح، فإنه يسبب في ارتفاع درجة حرارة الخلية، مما يؤدي إلى انخفاض أدائها. وبالتالي، قد يكون تحليل التقنيات المختلفة لتبريدها ضروريًا. في هذه الأطروحة، تم عرض بعض الدراسات السابقة الخاصة بخلايا الوقود و أهم التقنيات المستعملة في تبريدها. تم التطرق أيضا إلى النمذجة الرياضية لإنتقال المائع والحرارة. في الجزء الخاص بالنتائج، تمت دراسة نجاع خمسة تصميمات مختلفة لألواح التبريد (150×181 mm2) من ناحية سلوك انتقال الحرارة باستخدام ديناميكا الموائع الحسابية (CFD). تمّ تقييم أداء التصاميم المقترحة من حيث درجة الحرارة القصوى والتجانس في التوزيع الحراري و كذلك من ناحية الضياع الطاقوي. تم التحقق من صحة النموذج الرياضي المقترح من خلال النتائج المنشورة المتاحة في الدراسات البحثية السابقة. أوضحت النتائج التي تم الحصول عليها أنّ درجات الحرارة القصوى كانت 305.3K و301.5K لمجال التدفق -S- وتصميم القنوات المزدوجة على التوالي. كشفت النتائج أن تصميمات الألواح مزدوجة التدفق قد تعزز أداء مركبات PEMFCs بشكل كبير من حيث توزيع درجة الحرارة في لوحة التبريد عند مقارنتها بتصميمات مجال التدفق الأحادي. Abstract Due to the energy crisis and the rising level of pollution around the world, a great interest was recorded about the fuel cell, as it has no production other than water and heat. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) is an electrochemical device that are designed to directly convert, with high efficiency, the chemical energy from the reaction of a hydrogen and an oxygen into electricity. A major challenge for improving the characteristics of fuel cells is to obtain uniform temperature distribution during its operation, in which a major part of hydrogen chemical energy is converted to heat. If not properly exhausted, this exothermic chemical reaction causes overheating in the polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), leading to a reduction in their performance. Hence, analyzing different techniques for PEMFCs cooling may be necessary for this kind of energy systems. In this thesis, some previous studies on fuel cells and the most important technologies used in cooling them were presented. Mathematical modeling of fluid and heat transfer was also addressed. In the results section, the effectiveness of five different cooling plate designs (150×181 mm2) in terms of heat transfer behavior was studied using Computational Fluid Dynamics (CFD). The performance of the proposed designs was evaluated in terms of maximum temperature and uniformity of thermal distribution, as well as in terms of energy loss.The suggested study has been validated by available published results from previous research studies. The obtained results depicted that the maximum temperatures have been 305.3K and 301.5K for -S- character flow field and two stages coolant flow field microchannel designs, respectively. The results revealed that the two-flow plate designs might greatly enhance the performance of PEMFCs in terms of temperature distribution in the cooling plate when compared to standard flow field designs.