بهینه سازی میدان جریان خنک کاری پیل سوختی غشا پلیمری

پیل سوختی از تکنولوژی های جدیدی می باشد که از سازگاری خوبی با محیط زیست برخوردار است و عمل تبدیل انرژی در آن با بازدهی بالا صورت می پذیرد. در میان انواع پیل سوختی، پیل سوختی غشا پلیمری به دلیل چگالی توان بسیار بالا، قابلیت شروع به کار سریع و عملکرد در دمای پایین، در صنایع خودروسازی، نیروگاهی، مولد انرژی قابل حمل، تجهیزات مخابراتی، برق خانگی و کاربردهای نظامی مورد استفاده و توجه زیادی قرار گرفته است. پیل سوختی انرژی شیمیایی نهفته در سوخت را تحت یک واکنش شیمیایی، مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می کند و محصول نهایی، الکتریسیته، آب و حرارت می باشد. گرمای تولیدی در پیل های غشا پلیمری به دلیل داشتن بازده گرمایی حدود 40%-50%، برابر یا حتی بیشتر از الکتریسیته تولیدی است. تکنولوژی پیل سوختی جهت تجاری شدن با چالش های متفاوتی درگیر است که در این میان مدیریت صحیح گرمای آن یکی از معضلات اساسی بوده که باید مرتفع گردد. این امر به وسیله مدیریت حرارتی بهینه و دفع گرمای تولیدی پیل در ولتاژهای کاری مختلف، دستیابی به توزیع دمای یکنواخت در توده پیل و دستیابی به حداقل نرخ افت فشار سیال خنک کننده محقق می شود. بهینه سازی سیستم مدیریت حرارت پیل موجب ایجاد دمای یکنواخت در سطح پیل، حفظ رطوبت واکنشگرها و غشا در حد مطلوب، افزایش دوام و پایداری غشا، کاهش توان اتلافی، افزایش توان خروجی، کاهش هزینه ها، بهبود عملکرد و افزایش راندمان پیل می گردد. در این رساله، پیل غشا پلیمری توسط آب مایع سیرکوله شده در کانال های خنک کاری تعبیه شده در میدان جریان خنک کاری ایجاد شده در صفحات خنک کاری، خنک میگردد. جریان سیال خنک کننده و انتقال حرارت در صفحات خنک کاری با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی بررسی شده اند. عملکرد طرح های مختلف میدان جریان خنک کننده بر اساس شاخصه های دمای ماکزیمم سطح، یکنواختی دما، اختلاف دمای سطح، افت فشار و ... با یکدیگر مقایسه شده است. بهینه سازی طرح میدان جریان خنک کاری با تغییر آرایش، شکل هندسی، تعداد و ابعاد کانال ها انجام شده است. نشان داده می شود در بین چندین طرحی که برای میدان های دارای کانال های موازی ارائه شدند، میدان جریان خنک کاری با کانال های موجی شکل و کانال های مستقیم با سطح مقطع ذوزنقه ای شکل پتانسیل این را دارند که به عنوان میدان جریان خنک کاری استفاده شوند. هر چند که بین این دو مدل باید مصالحه ای بین افت فشار و شاخص های دمایی انجام گردد. در بین انواع میدان های خنک کاری مارپیچی، میدان های مارپیچی چند مسیره مطلوبترین میدان های جریان خنک کاری به منظور توزیع یکنواخت دما در سرتاسر سطح فعال هستند. علاوه بر این امکان بهبود بیشتر یکنواختی دما در این میدان ها، از طریق کنترل مناسب مقدار دبی ورودی خنک کننده در مسیرهای میدان جریان خنک کاری، وجود دارد. علاوه بر این، نشان داده می شود میدان جریان متخلخل با ساختار فوم فلزی، پتانسیل این را دارد که به عنوان میدان جریان خنککننده برای بهبود عملکرد توده پیل انتخاب گردد.