• شماره ركورد
    26232
  • شماره راهنما
    MEC2 313
  • عنوان

    مدل‌سازي عددي و مقايسه روش‌هاي مديريت حرارت فعال، غيرفعال و تركيبي در پيل سوختي غشاي پليمري

  • مقطع تحصيلي
    كارشناسي ارشد
  • رشته تحصيلي
    مهندسي مكانيك - تبديل انرژي
  • دانشكده
    فني و مهندسي
  • تاريخ دفاع
    1405/06/28
  • صفحه شمار
    141 ص.
  • استاد راهنما
    ابراهيم افشاري
  • لينك پروفايل استاد راهنما
  • استاد مشاور
    مسعود ضيائي راد
  • كليدواژه فارسي
    پيل سوختي غشاي پليمري , مديريت حرارت , خنك‌كاري با هوا , خنك‌كاري با مايع , لوله حرارتي , خنك‌كاري تركيبي , شاخص عملكرد حرارتي - هيدروليكي , نسبت مزيت
  • چكيده فارسي
    پيل‌هاي سوختي غشاي پليمري با دارا بودن مشخصاتي بارزي از جمله راندمان و چگالي توان بالا، دماي كاري پايين (60 تا 90 درجه سلسيوس)، آلايندگي نزديك به صفر، پاسخ ديناميكي سريع و راه‌اندازي فوري، نقش كليدي در آينده سيستم‌هاي توليد توان ايفا مي‌كنند. با اين حال، كارايي و طول عمر اين تجهيزات به‌شدت وابسته به مديريت حرارت است؛ چراكه افزايش ناخواسته دما موجب خشك‌شدگي غشاء، بروز تنش‌هاي مكانيكي و تخريب ساختاري شده و كاهش بيش از حد آن نيز افت نرخ واكنش‌هاي الكتروشيميايي و افت عملكرد پيل سوختي را به همراه دارد. در پژوهش حاضر، به منظور مديريت حرارت پيل سوختي غشا پليمري، چهار پيكربندي خنك‌كاري شامل كانال‌هاي موازي هوا (طرح اول)، كانال‌هاي مارپيچي آب مايع (طرح دوم)، آرايه لوله‌هاي حرارتي (طرح سوم) و سيستم تركيبي كانال‌هاي موازي هوا - آرايه لوله‌هاي حرارتي (طرح چهارم) پيشنهاد شده و تحت الگوهاي غيريكنواخت شار حرارتي مورد ارزيابي و شبيه‌سازي عددي قرار گرفته‌اند. بررسي الگوهاي متنوع شار حرارتي از آن جهت حائز اهميت است كه شار حرارتي توليدي ارتباط مستقيم با چگالي جريان پيل سوختي دارد و چگالي جريان تابعي از شرايط متغير دروني پيل مانند ميزان اشباع گازها، رطوبت گازهاي ورودي و توزيع غلظت واكنش‌دهنده‌ها است. اعمال شارهاي حرارتي غيريكنواخت امكان سنجش واقعي‌تر عملكرد سيستم‌هاي خنك‌كاري را در شرايط عملياتي واقعي فراهم مي‌سازد. مقايسه روش‌ها بر پايه شاخص‌هاي كليدي نظير اختلاف دماي بيشينه و كمينه صفحه، شاخص يكنواختي دما، دماي ميانگين صفحه، مقاومت حرارتي، افت فشار، توان پارازيتي، شاخص عملكرد حرارتي - هيدروليكي و نسبت مزيت انجام شده است. نتايج نشان مي‌دهد از نظر يكنواختي دما، طرح دوم به دليل جريان آرام با اختلاف دماي فراتر از 7/0 درجه سلسيوس و طرح اول با اختلاف دما در محدوده 3/3 تا 5/9 درجه سلسيوس و شاخص يكنواختي 1/65 ضعيف‌ترين عملكرد را دارند. در حالي كه طرح سوم با تثبيت اختلاف دما در محدوده 1/7 تا 2/0 درجه سلسيوس و طرح چهارم با كنترل آن در محدوده 2/6 تا 3/8 درجه سلسيوس، هر دو به شاخص يكنواختي پايدار 0/34 دست يافتند. از ديدگاه مقاومت حرارتي، طرح سوم كمترين مقاومت حرارتي را در ميان تمام روش‌هاي خنك‌كاري ارائه داد و طرح چهارم با ثبت مقاومت حرارتي پايدار 0/045 تا 0/064 درجه سلسيوس بر وات در رتبه دوم قرار گرفت. در تحليل مصرف انرژي، طرح اول توان پارازيتي ثابت 56 وات را تحميل كرد و طرح سوم به دليل اعمال ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي بالا در بخش چگالنده در شارهاي نزولي، دچار جهش توان مصرفي تا 275 وات و منفي شدن شاخص نسبت مزيت تا 2/0- گرديد. در مقابل، طرح چهارم بهترين تعادل ميان دفع حرارت و توان پارازيتي را با نوسان توان مصرفي در محدوده 12 تا 26 وات، بالاترين شاخص عملكرد حرارتي - هيدروليكي بين 7/4 تا 9/4 و نسبت مزيت فراتر از 4/5+ را ارائه داد. در مجموع، اگرچه طرح چهارم به دليل افزايش دو برابري ضخامت صفحه و پيچيدگي ساخت، تراكم توان حجمي توده را كاهش مي‌دهد، اما به دليل برتري حرارتي - هيدروليكي ميان طرح‌هاي مورد بررسي، گزينه‌اي مناسب براي كاربردهاي صنعتي و نيروگاه‌هاي ثابت به‌شمار مي‌رود.
  • كليدواژه لاتين
    Proton Exchange Membrane Fuel Cell , Thermal Management , Air Cooling , Liquid Cooling
  • عنوان لاتين
    Numerical Modeling an‎d Comparison of Active, Passive, an‎d Hybrid Thermal Management Methods in Proton Exchange Membrane Fuel Cells
  • گروه آموزشي
    مهندسي مكانيك
  • چكيده لاتين
    Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs), characterized by prominent features such as high efficiency, high power density, low operating temperatures (60 to 90 °C), near-zero emissions, fast dynamic response, an‎d instantaneous startup, play a key role in the future of power generation systems. However, the performance an‎d lifespan of these devices strictly depend on thermal management; an unintended temperature rise leads to membrane drying, mechanical stress, an‎d structural degradation, while an excessive temperature dro‎p results in reduced electrochemical reaction rates an‎d performance degradation. In the present study, to manage the thermal behavior of a PEMFC, four cooling configurations, including parallel air channels (Design 1), liquid water serpentine channels (Design 2), a heat pipe array (Design 3), an‎d a hybrid system combining parallel air channels with a heat pipe array (Design 4), are proposed an‎d numerically eva‎luated under non-uniform heat flux patterns. Investigating various heat flux patterns is crucial because the generated heat flux directly correlates with the fuel cellʹs current density an‎d Current density is a function of variable internal conditions of the cell, such as gas saturation, inlet gas humidity, an‎d reactant concentration distribution. Applying non-uniform heat fluxes enables a more realistic assessment of the cooling systemsʹ performance under actual operating conditions. A comparison among these methods is conducted based on key indicators such as maximum an‎d minimum plate temperature difference, index of uniform temperature, average plate temperature, thermal resistance, pressure dro‎p, parasitic power, performance eva‎luation criterion (PEC), an‎d advantage ratio (AR). The results indicate that in terms of temperature uniformity, Design 2, due to laminar flow with a temperature difference exceeding 7.0 °C, an‎d Design 1, with a temperature difference ranging from 3.3 to 5.9 °C an‎d a uniformity index of 1.65, exhibit the weakest performance. Conversely, Design 3 (by stabilizing the temperature difference within 1.7 to 2.0 °C) an‎d Design 4 (by controlling it within 2.6 to 3.8 °C) both achieved a stable uniformity index of 0.34. Regarding thermal resistance, Design 3 provided the lowest thermal resistance among all cooling methods, while Design 4 ranked second by recording a stable thermal resistance of 0.045 to 0.064 °C/W. In the power consumption analysis, Design 1 imposed a constant parasitic power of 56 W, whereas Design 3 experienced a spike in power consumption up to 275 W an‎d a negative AR down to -2.0 under descending heat fluxes due to high convective heat transfer coefficients applied at the condenser section. In contrast, Design 4 offered the best balance between heat removal an‎d parasitic power, featuring power consumption fluctuations between 12 an‎d 26 W, the highest PEC between 7.4 an‎d 9.4, an‎d an AR exceeding +4.5. Overall, despite reducing the stack volumetric power density due to double the plate thickness an‎d manufacturing complexity, Design 4 stan‎ds out an‎d good option for industrial applications an‎d stationary power plants owing to its thermal-hydraulic superiority among the studied configurations.
  • تعداد فصل ها
    5
  • فهرست مطالب pdf
    171817
  • نويسنده

    حسيني، سيدابوالفضل