Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

ผลของการออกแบบช่องทางการไหลและพารามิเตอร์ดำเนินการต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็มแบบเปิดด้านแคโทด: การศึกษาเชิงคำนวณ

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

EFFECTS OF FLOW CHANNEL DESIGN AND OPERATING PARAMETERS ON OPEN-CATHODE PEM FUEL CELL PERFORMANCE: A COMPUTATIONAL STUDY

Year (A.D.)

2014

Document Type

Thesis

First Advisor

พรพจน์ เปี่ยมสมบูรณ์

Second Advisor

เบญจพล เฉลิมสินสุวรรณ

Faculty/College

Faculty of Science (คณะวิทยาศาสตร์)

Degree Name

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต

Degree Level

ปริญญาโท

Degree Discipline

เทคโนโลยีเชื้อเพลิง

DOI

10.58837/CHULA.THE.2014.769

Abstract

ในงานวิจัยนี้ได้พัฒนาแบบจำลองสามมิติ วัฏภาคเดียวที่สภาวะคงตัวและอุณหภูมิคงที่เพื่อที่จะศึกษาผลของการออกแบบช่องทางการไหลของแก๊สด้านแคโทดด้วยการปรับเปลี่ยนค่าอัตราส่วนด้านกว้างต่อด้านสูงและค่าพื้นที่ตัดขวางของช่องทางการไหลของแก๊ส รวมทั้งอัตราการป้อนอากาศ ความชื้นของอากาศ และอุณหภูมิของเซลล์ต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็มแบบเปิดด้านแคโทดด้วยวิธีทางพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณโดยใช้โปรแกรม ANSYS FLUENT 6.3 ผลจากการคำนวณโดยแบบจำลองพบว่าเมื่ออัตราส่วนระหว่างความสูงต่อความกว้างของพื้นที่ตัดขวางลดลงจะทำให้ออกซิเจนสามารถแพร่ไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาได้มากขึ้นทำให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น สำหรับขนาดของพื้นที่ตัดขวางพบว่าการเพิ่มพื้นที่ตัดขวางส่งผลต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงแบบไม่เป็นเชิงเส้นโดยเมื่อพื้นที่ตัดขวางเพิ่มขึ้นจะทำให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงลดลงในช่วงแรกและเพิ่มขึ้นในช่วงถัดไป ทั้งนี้พบว่าสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับทั้งระยะห่างระหว่างช่องทางการไหลที่อยู่ติดกันและพื้นที่สัมผัสระหว่างช่องทางการไหลของแก๊สกับชั้นการแพร่ของแก๊ส โดยในการออกแบบควรมีระยะห่างระหว่างช่องทางการไหลของแก๊สน้อยและมีพื้นที่สัมผัสมาก ซึ่งค่าอัตราส่วนและขนาดพื้นที่ตัดขวางที่เหมาะสมเท่ากับ 0.8 และ 2 ตารางมิลลิเมตร ตามลำดับ การศึกษาผลของพารามิเตอร์ดำเนินการต่างๆต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิง พบว่าเมื่ออัตราการป้อนอากาศสูงขึ้นจะทำให้ออกซิเจนแพร่ไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยามากขึ้นมีผลให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น ส่วนการเพิ่มความชื้นของอากาศไม่ส่งผลต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงและการเพิ่มอุณหภูมิของเซลล์เชื้อเพลิงทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาหรือค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าท้องถิ่นสูงขึ้นมีผลให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

Three dimensional, steady state, single phase and isothermal model is developed to investigate the effect of cathode channel design with varying cross-sectional area and aspect ratio, air flow rate, air humidity and cell temperature on open-cathode PEM fuel cell performance by using computational fluid dynamic technique in commercial software ANSYS FLUENT 6.3. The result shows that decreasing of aspect ratio increases molar concentration of oxygen at the interface of gas diffusion layer and catalyst layer and then increases cell performance. Cross-sectional area does not affect linearly on the cell performance. The cell performance first decreases and then increases as the cross-sectional area increases. It is also found that cell performance depends on rib area and contract area between flow channel and gas diffusion layer together. The cathode channel should be designed with small rib area and large contract area. The optimal flow channel aspect ratio is 0.8 and optimal cross-sectional area is 2 mm2 Moreover, increasing of air flow rate increases molar concentration of oxygen at the interface of gas diffusion layer and catalyst layer and consequently increases cell performance. On the contrary increasing of air humidity does not affect on the cell performance. Finally, increasing of cell temperature increases exchange current density, leading to the increase of average current density and cell performance.

Link to Full Text

Share

COinS