Projektowanie i optymalizacja kanałów przepływowych dla 10-ogniwowego stosu PEMFC

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację działania naukowego

Miniatura 8

Tytuł projektu: Projektowanie i optymalizacja kanałów przepływowych dla 10-ogniwowego stosu PEMFC

Tytuł w j. angielskim: Design and Optimization of Flow Channels for a 10-Cell PEMFC Stack

Numer decyzji: EC-2024/08/X/ST8/01755

Okres realizacji: 10.12.2024 - 09.12.2025

Wartość przyznanych środków: 39 402,00 PLN

Wartość projektu: 39 402,00 PLN

Kierownik działania naukowego: dr Dineshkumar Ravi

Streszczenie:

Badania na całym świecie skupiały się głównie na wykorzystaniu wodoru jako czystej energii do transportu wiejskiego i miejskiego. Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów (PEMFC) oferuje obiecującą technologię czystej i wydajnej konwersji energii. Ogniwo PEMFC może zapewnić wysoką gęstość mocy, zerową emisję, wysoką wydajność i niskie temperatury pracy, co czyni je odpowiednimi do zastosowań motoryzacyjnych. Rozwój stosu PEMFC umożliwia nam dłuższe podróże i zmniejsza zależność od częstego ładowania akumulatorów. Jednym z krytycznych elementów stosu PEMFC jest konstrukcja kanału przepływowego. Kanały przepływowe zapewniają właściwą dystrybucję gazów reakcyjnych, mianowicie wodoru i tlenu, odpowiednio do komory anodowej i katodowej. Pomagają również w skutecznym usuwaniu wody, utrzymują niski spadek ciśnienia w kanale. W przypadku 10-ogniwowego stosu PEMFC każde ogniwo często nie otrzymuje stechiometrycznego stosunku paliwa do odpowiednich komór. Aby rozwiązać ten problem, niniejsza praca ma na celu zapewnienie właściwego projektu kanału przepływowego dla 10-ogniwowego stosu PEMFC, który zapewniłby, że poszczególne ogniwo otrzyma odpowiednią i zrównoważoną dostawę gazów reakcyjnych. Pierwsza faza badania obejmuje trójwymiarowe badanie numeryczne wydajności 10-ogniwowego układu PEMFC. Numeryczny model każdej celi składa się z płyt grafitowych, warstwy dyfuzji gazu, membrany i płyt końcowych, które są modelowane i montowane przy użyciu oprogramowania do modelowania Solid Works 20.0. Następnie model numeryczny jest dyskretyzowany przy użyciu elementów heksaedrycznych i tetraedrycznych poprzez podejście objętości skończonej przy użyciu ANSYS ICEM CFD 23.2. Następnie model siatki jest importowany do ANSYS Fluent 23.2 w C21celu zastosowania wymaganych warunków brzegowych. Trójwymiarowe zmiany przepływu płynu zostały symulowane poprzez rozwiązanie niezbędnych równań rządzących, a mianowicie masy, pędu i energii. Turbulencje indukowane w układzie zostaną uchwycone przy użyciu trybu zamknięcia transportu naprężeń ścinających (SST k-ω). Kinetyka reakcji elektrochemicznych jest reprezentowana przez równanie Butlera-Volmera, uchwycające szybkości reakcji anodowych i katodowych. Ponadto prawo Ohma jest wykorzystywane do modelowania strat napięcia spowodowanych rezystancją wewnętrzną w elementach ogniwa, w tym membranie, warstwach dyfuzji gazu i warstwach katalizatora. Wyniki przewidywane numerycznie zostaną zweryfikowane na podstawie wyników standardowej dostępnej literatury. Po weryfikacji różne projekty kanałów przepływowych zostaną przetestowane w różnych warunkach pracy. Przewidywane wartości wyjściowe, a mianowicie wydajność poszczególnych ogniw i stosów, charakterystyki wymiany ciepła i spadek ciśnienia, zostaną zarejestrowane i porównane w różnych warunkach pracy. Zoptymalizowana jednostka kanału przepływowego zostanie uwzględniona w opracowaniu prototypu eksperymentalnego.

Druga faza badania obejmuje opracowanie prototypu eksperymentalnego we współpracy z zespołem HydroGreen (Politechnika Lubelska (LUT), Lublin). Zespół HydroGreen odgrywa kluczową rolę w promowaniu badań i rozwoju w dziedzinie energii wodorowej i technologii ogniw paliwowych. Zoptymalizowana konstrukcja kanału przepływowego anodowego i katodowego zostanie wykonana przy użyciu cięcia laserowego/frezowania o wysokiej precyzji. Montaż wszystkich komponentów, tj. płyt grafitowych, membrany, elektrody dyfuzyjnej gazu, płyt końcowych i katalizatora, zostanie przeprowadzony i przetestowany w laboratorium Hydrogreen. Dystrybucja gazów wodorowych i tlenowych w LUT jest starannie zarządzana przez zespół Hydrogreen, co zapewnia najwyższe standardy bezpieczeństwa. Zespół utrzymuje gazy H2 i O2 w butlach typu 3, które spełniają rygorystyczne przepisy branżowe. Ten ostrożny protokół obsługi i przechowywania jest niezbędny do bezpiecznej i wydajnej pracy. W sprawie pomyślnego opracowania prototypu stosu 10-ogniwowego PEMFC zostanie on przetestowany i uruchomiony w czterokołowym pojeździe elektrycznym dostępnym w LUT. Ponadto wyniki działań naukowych zostaną zaprezentowane na konferencjach naukowych i opublikowane jako artykuł w czasopismach o otwartym dostępie indeksowanych przez SCI. Wszystkie działania badawcze, o których mowa powyżej, będą prowadzone w ramach dyscypliny inżynieria mechaniczna.