عنوان پایان‌نامه
مدلسازی یک پمپ الکتروسموتیک سوخت برای پیل های سوختی متانولی مستقیم
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی-ماشینهای آبی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2190;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 55014
- تاریخ دفاع
- ۱۲ مهر ۱۳۹۱
- دانشجو
- علیرضا صفری پورطبالوندانی
- استاد راهنما
- سیداحمد نوربخش
- چکیده
- در این پژوهش عملکرد یک سیستم ترکیبی متشکل از یک پیل سوختی متانولی مستقیم و یک پمپ الکترواسمتیک به منظور سوخت رسانی مدل¬سازی شده است. در ابتدا یک مدل تئوری برای تخمین عملکرد یک پمپ الکترواسمتیک شیشه متخلخل بررسی شد. سپس با شناسایی مقاومت هیدرولیکی به عنوان عامل ارتباطی بین دو جزء سیستم، افت فشار محلول سوخت در جریان داخل کانال پیل سوختی مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور یک تخمین اولیه یک مدل تک فازی دو بعدی از جریان داخل آند ارائه شد. سپس چند مدل جریان دو فازی از نوع همگن، جریان جدا شده و همچنین یک روش جریان مختلط حباب کشیده برای محاسبه افت فشار جریان بکار رفته است. به دلیل ضعف مدل¬های موجود در پیش بینی صحیح مقادیر افت فشار، یک روش نیمه تجربی تالیف شده توسط بویی در ابتدا معرفی و سپس با استفاده از داده¬های تجربی آزمایش¬های انجام شده توسط وی اصلاح شده و برای تخمین افت فشار در آند پیل سوختی مورد استفاده قرار گرفته است. در انتها با استفاده از یک مدل نیمه تجربی متداول برای شبیه¬سازی عملکرد یک پیل سوختی و استفاده از مدل-های ارائه شده، یک مجموعه متشکل از یک پیل سوختی متانولی مستقیم و یک پمپ الکترواسمتیک به صورت کامل مدل¬سازی شده است. برای مدل¬سازی از دو رویکرد تولید دبی جریان ثابت توسط پمپ، و اعمال ولتاژ ثابت بر روی پمپ استفاده شده و تاثیر تغییرات شرایط کارکرد از جمله دبی، غلظت سوخت ورودی، ولتاژ اعمالی و خواص هندسی پمپ مانند شعاع نامی حفره¬های محیط متخلخل تشکیل دهنده پمپ، مساحت و ضخامت برروی عملکرد سیستم بررسی گردیده است. به نظر می¬آید که در صورت طراحی مناسب ابعاد و مشخصات پمپ، با صرف درصد ناچیزی از توان تولید شده توسط پیل سوختی می¬توان عملکرد آن را بهبود بخشید. همچنین مشاهده می¬شود که بهترین نقطه عملکرد مجموعه لزوما توسط پیل سوختی تعیین نشده و عملیات بهینه سازی بایستی بر روی کل سیستم پیاده¬سازی شود.
- Abstract
- Miniature Direct Methanol Fuel Cells (?DMFCs) are considered to be the best alternative to replace conventional battery systems in portable electronic devices (laptops, cell phones, etc) due to their high energy density, safe fuel storage and transportation, relatively simple structure, and low environmental pollution. However, in common passive DMFCs, environmental and operational conditions affect the cell performance significantly and therefore lead to some problems in mobile usages. Utilizing a method to pump the fuel into the cell, active fuel delivery, have been shown to improve the performance of the system as well as lowering its dependability on operating conditions. In this study the application of a combined system including a direct methanol fuel cell and an electro-osmotic fuel pump has been modeled. At first a theoretic model has been studied to approximate the function of a porous glass electro-osmotic pump, and then by recognizing hydraulic resistance as the main link between the two parts of the system, pressure drop of the fuel solution in the flow channel has been investigated. In order to gain an elementary estimation, a reduced two dimensional one phase model of the anode flow field has been suggested. Then several two phase models, homogenous, separated flow, and also an intermittent bubble/slug flow, have been used to calculate pressure drop of the flow. Due to the incapability of the present models to capture the actual trend of pressure drop, a semi empirical method suggested by Buie is first introduced and then modified using the data from his own experiments to predict the pressure drop in the anode of a direct methanol fuel cell. In the end, by utilizing a typical semi empirical model to simulate the electrical performance of a direct methanol fuel cell and also using the modified model for estimating pressure drop, a system consisting of a direct methanol fuel cell and an electro-osmotic fuel pump has been fully modeled. Two different approaches have been used to model the system; one assuming a constant flow rate produced by pump and the other, application of a constant voltage on the pump. The effects of changes in operating conditions such as flow rate, methanol concentration of the entering fuel, applied voltage, and geometric properties of the pump such as nominal pore radius, area and thickness of the pump porous media on system performance has been investigated. It is shown that by a proper design of dimensions and properties of the pump, the overall performance of the system can be improved by consuming only a small fraction of the produced power of direct methanol fuel cell. It is also observed that the point of best performance is not dictated only by fuel cell, and an optimization should be done for the whole system.
