شبيه‌سازي، ساخت و آزمايش پيل سوختي غشاي پليمري با صفحات انتهايي شفاف

Simulation, manufacturing and test of a transparent proton-exchange membrane fuel cell

در اين پژوهش، مراحل طراحي و ساخت يك دستگاه پيل سوختي غشاي پليمري شفاف با هدف فراهم‌ساختن امكان مشاهده مستقيم پديده طغيان در كانال‌هاي جريان دو سمت آند و كاتد شرح داده شده‌است. در طراحي پيل ابتدا چالش‌هاي پيش‌روي ساخت شناسايي و در ادامه پيل طراحي‌شده شبيه‌سازي گرديده‌است. در گام نخست طراحي، ضمن بيان ضوابط و محدوديت‌هاي تكنيكي ساخت اين دسته از پيل‌هاي سوختي، راهكارهاي اجرايي در راستاي غلبه بر اين چالش‌ها ارائه و بر مبناي آن‌ها جنس و پارامترهاي ابعادي كليه قطعات تعيين گرديده‌است. در مرحله دوم طراحي، عملكرد پيل بصورت پايا و دوفازي در نرم‌افزار انسيس فلوئنت شبيه‌سازي و منحني قطبيت استخراج شده‌است. در ادامه و در مرحله راه‌اندازي، گشتاور پيچشي پيچ‌ها به‌كمك منحني قطبيت بهينه‌سازي شده‌است. نتايج حاصل بيانگر مقدار گشتاور پيچشي بهينه برابر 1 براي هر پيچ در پيل ساخته شده مي‌باشد. در ادامه به منظور صحت‌سنجي مدل عددي، در شرايط عملياتي مشابه، نمودار قطبيت آن با نمودار قطبيت پيل ساخته‌شده مورد مقايسه قرار گرفت. خطاي %6/87 اين مقايسه نشان‌دهنده دقت مناسب روش عددي است. در انتها نيز از كانال‌هاي جريان سمت كاتد عكس‌برداري صورت پذيرفت و با استفاده از روش پردازش تصوير، آب انباشته‌شده در كانال‌هاي جريان شناسايي گرديد.

In this research, a transparent proton-exchange membrane fuel cell is designed and manufactured to visualize the anode and cathode side flow channels and study the flooding phenomenon. Manufacturing challenges are found, and cell design is simulated before manufacturing. Restrictions are expressed in the first place and then practical solutions are presented to cope with them; materials and dimensions are then determined accordingly. As the second step, the cell’s operation is simulated and the polarization curve is extracted using a steady-state two-phase computation fluid dynamics model. After the manufacturing of all components, due to the high influence of the torque of the bolts on the leakage, lifetime and operation of the cell, this parameter is optimized using polarization curves. A torque of 1N.m for the bolts is found to be optimum. In order to validate the numerical model, the polarization curve of the model is compared with that of the experiment. An error of 6.76% demonstrates the suitable accuracy of the numerical model. Finally, the accumulated water on the cathode side is detected using direct visualization and image processing technique.