Download - Prezentare Doctorat Umc_2015
![Page 1: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/1.jpg)
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚAȘCOALA DOCTORALĂ DE INGINERIE MECANICĂ ȘI MECATRONICĂ
PROPUNERE TEMĂ STUDII DOCTORALE CU TITLUL:
STUDII DE OPTIMIZARE PRIN ANALIZĂ NUMERICĂ A PLĂCILOR BIPOLARE DIN CADRUL PILELOR DE COMBUSTIE
CU MEMBRANĂ PROTONICĂ(PEMFC)
CONDUCĂTOR DOCTORAT:Prof.univ.dr. NICOLAE BUZBUCHI
CANDIDAT:VIOREL IONESCU
CONSTANȚA 2015
![Page 2: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/2.jpg)
PREZENTAREA PE SCURT A DIPLOMELOR OBTINUTE DE CANDIDAT
LICENȚIAT ÎN FIZICĂ-CHIMIE(4 ANI), UNIVERSITATEA OVIDIUS CONSTANȚA, PROMOȚIA 2000
STUDII APROFUNDATE ÎN FIZICA STĂRII CONDENSATE ȘI A SISTEMELOR ATOMICE(1 AN), UNIVERSITATEA OVIDIUS CONSTANȚA, PROMOȚIA 2001
DOCTORAT ÎN DOMENIUL FIZICĂ, UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI(3 ANI), TITLUL TEZEI:“OBȚINEREA ȘI CARACTERIZAREA UNOR STRATURI SUBȚIRI NANOSTRUCTURATE CU PROPRIETĂȚI ELECTRICE, MAGNETICE ȘI MECANICE SPECIALE”, 2010.
MASTERAT ÎN DOMENIUL INGINERIE ELECTRICĂ, UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚA,SPECIALIZAREA SISTEME ELECTRICE AVANSATE(2 ANI), PROMOȚIA 2015
![Page 3: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/3.jpg)
CUPRINSUL PREZENTĂRII
![Page 4: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/4.jpg)
PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL UNEI PILE DE COMBUSTIE CU MEMBRANĂ PROTONICĂ
Distribuția gazelor prin materiale poroase GDL(µm)
Fig.1. Vedere a proceselor interne într-o pilă de combustie cu membrană schimbatoare de protoni [1]
[1] http://www.hydrogendays.cz/2014/gallery/hds2014_presentations/lapicque.pdf
Transportul H+ prinmembrana PEM(µm)
Producerea de H20 la catod
Curgerea gazelor de reacție prin plăcile bipolare(1mm)
Electrozi pentru reacțiileElectrocatalitice(2-10nm)
Fig.2. Prezentarea tuturor componentelor unui sistem PEMFC format dintr-o singură celulă [2]
[2] Kap-Seung Choi , Int. J. Electrochem. Sci., 10 (2015) 2564 - 2579
Nafion(LT) PTFE(HT)
![Page 5: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/5.jpg)
APLICAȚII INDUSTRIALE ALE PEMFC
Fig.4. Primul model de serie de automobil cu pilă de hydrogen: Toyota MIRAI( combinatie a tehnologiei Toyota Fuel cell system – TFCS si a tehnologiei hibride) cu lansare în Europa și USA începând cu 2016[4].
Fig.3. Micro-unitate de cogenerare caldura/electricitate pe baza de HT-PEMFC[3]
• 14 milioane de boilere pe bază de petrol în UE – piață de miliarde de euro
• Nouă tehnologie: Pile de combustie pentru micro-unități de generare combinata caldura / energie electrica( FC µCHP)
• Noul centru de cercetare 4M din cadru DTU Energy Conversion – proiect 2013-2018 de dezvoltare FC µCHP( MIT-USA, KIST – Korea, Forschungszentrum Jülich - Germania, Aalborg University – Danemarca)
• PEMFC de joasă temperatură(800C - 1000C) –aplicații in domeniul automobilelor, eficiență de pana la 60%, durată de viață de 5000 ore de funcționare.
• PEMFC de înaltă temperatură(1500C - 1800C) – utilizare la FC µCHP, 20.000 ore functionare in prezent.țintă 2018: approx. 40.000 hours(5 ani).• LT PEMFC : combustibil H2 ; HT PEMFC: H2, metanol, gaz metan, propan
[3] http://www.marcogaz.org/downloads/EGATEC2013/Day2-May31/PS5/PS5f_6_Kasuh.pdf[4] http://www.toyota-global.com/innovation/environmental_technology/fuelcell_vehicle/
![Page 6: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/6.jpg)
ECUAȚII DE GUVERNARE A FUNCȚIONĂRII PEMFC ,FOLOSITE IN CADRUL MODELELOR FEM
a. Canalele de curgere reactanți
Considerații initiale - model:•Curgere laminară: Re redus, gradient P mic•Amestec gazos ideal •Electrozi, PEM : materiale omogene•Distribuție uniformă a T•PEM impermeabilă la O2, H2
•H+ doar prin PEM 1
( ) ( ) 0;
0
T
e
v v p v vR
v
Ec. Navier Stokes adimensională:
Ec. de continuitate:
i ii
pM x
RT
Ec. Maxwell - Stefan: 3
1
[ ] 0i ij j j j j ij j
M M pD x v
M M p
b. Distribuția vitezei în straturile de difuzie a gazelor(GDL) și în electrozii de cataliză
Legea lui Darcy:k
u p
c. Curgere prin GDL 1( ) 0
0
TB
e
k v p v vR
v
2
Be
Hk
R
Ec. Brinkman:
( )u S Ec. de continuitate:
d. Conservare sarcină electrică:( )
( )s s s
m m m
S
S
La ACL:La CCL:
Sm=ja si Ss=-ja
Sm=jc si Ss=-jc
![Page 7: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/7.jpg)
Fig.5. Identificarea regiunilor de pierderi pe curba de polarizare a unei celule PEMFC
• Regiunea de pierderi la activare – pornirea reactiilor electrochimice• Regiunea de pierderi ohmice– rezistența la curgerea e- și H+
• Regiunea de pierderi a concentrației reactanților– modificări conentrație, obstrucții flux gaze, acumulare H2O
CURBA DE POLARIZARE A UNEI CELULE PEMFC
![Page 8: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/8.jpg)
GEOMETRII DE MODELE COMPUTAȚIONALE 2D ȘI 3D – Comsol Multiphysics
Channel widthGDL width
(O2)
(H2)
Fig.6.Geometria de model 2D: a)definirea subdomeniilorb) geometria de model pentru LT-PEMFC[5]
(a) (b)
Fig.7.Geometria de model computațional 3 D – HT PEMFC[6]
Placă bipolară
Canal curgere gaz
MEA2D
3D
[5] V. Ionescu, Finite element method modelling of a high temperature PEM fuel cell, Rom. Journ. Phys., Vol. 59, Nos. 3–4, P. 285–294, 2014
[6] V. Ionescu, Gas difusion layer and reactant gas channel influence on the performance of a HT-PEM fuel cell, submitted to Rom. Journ. Phys., 2015.
![Page 9: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/9.jpg)
Elemente de Modelare 2D a LT-PEMC(Comsol Multiphysics)
[5]
CM1 - CM2 -CM3 -
- de variat: 0.6; 0.7; 0.8 mm- de variat: 0.175; 0.2; 0.225;0.275 mm
Fig.8. Distribuția vitezei Darcy (m/s) a reactanților dealungul GDL anodic(stanga) și GDL catodic(dreapta) la 0.7 V pentru CM1 [5]
• Mecanism difuzie – O2 si H2
• Câmp maxim: colțurile CC
Fig.9. Distribuția fluxului de difuzie al H2O către ACL pentru:a) CM1, b)CM2, c)CM3 [5]
• CM1: distribuție maximă, compactă a fluxului la interfața GDL/ACL
De studiat în viitor(model 2D):- distribuția densității de curent(A/m2) in GDL
- distribuția fracției masice a reactanților:de așteptat o creștere a facției de H2 de la in la out( “tragerii” electro-osmotice a H2O)
![Page 10: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/10.jpg)
INFLUENȚA PARAMETRILOR GEOMETRICI AI CANALELOR TRANSPORT REACTANȚI ASUPRA PERFORMANȚELOR HT-PEMFC (1)
• Optimizare canal curgere reactanți:
Variere raport între 0.3 și 0.8 ch
ch rib
W
W W
=> Rație optimizată de 0.65
Fig.10 Efectul varierii raportului între lațimea canalului si a GDL asupra performanței celulei la 0.03 V și 0.06m/s(viteza curgere O2)
Fig.11 Variația concentrației molare a apei și O2 la CCL pentru diverse valori
mare – diluție redusă si concentrație ridicată, constantă a O2
![Page 11: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/11.jpg)
![Page 12: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/12.jpg)
Two 25 cm2 serpentine flow-field patterns of 5-passes and 4-turns; (a) Detail view, (b) Flow field pattern [2]
![Page 13: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/13.jpg)
http://www.h-tec.com/fileadmin/content/edu/Anleitungen/BDA_F107_en.pdf
![Page 14: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/14.jpg)
Figura 3.1. Placă bipolară BG modelată virtual. Faţa activă si fata opusă a plăcii.[12]
http://www.scoaladoctorala.valahia.ro/wp-content/uploads/2015/06/rezumat-negrea.pdf
[Y]J. Carfora, Latest Thermoset Developments for Fuel Cells, Imagination & implementation--Thermosets 2004 : topical conference , March 24-26, 2004, Itasca, Illinois, p.2-12
Figura 4.5. Simulare în SolidWorks a solicitărilor de încovoiere din placa bipolară
Solicitare mecanică placă bipolară:-Inconvoiere: forță strângere pachet-comprehensiune: zone contact direct plăci
![Page 15: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/15.jpg)
F1
F2F2
F1
Definirea zonelor de actionare a fortelor asupra unei placi bipolare
![Page 16: Prezentare Doctorat Umc_2015](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062300/563db85c550346aa9a92fb8d/html5/thumbnails/16.jpg)
ANALIZĂ TERMICĂ ȘI STRUCTURALĂ A PLĂCILOR BIPOLARE DIN CADRUL PEMFC
Fig. Plăci bipolare din grafit proiectate si realizate practic:a) modelul solid CAD; b) imagine a placii bipolare [x]
[x] I. Eroglu, S. Erkan, Development of a 100W PEM Fuel Cell Stack for Portable Aplications, Proceedings of the WHEC, May 16.-21. 2010, Essen, p.503-507
Fig. Placă bipolară din grafit cu evidențierea canalelor de racire[Y]
Evacuare gaz reactie
Admisie gaz reactie Admisie /evacuarelichid racire
gaură bolț prindere
[Y]J. Carfora, Latest Thermoset Developments for Fuel Cells, Imagination & implementation--Thermosets 2004 : topical conference , March 24-26, 2004, Itasca, Illinois, p.2-12
Fig. Placi bipolare din grafit cu structură a canalelor de tip serpentină(a)[z] si tip paralel (b) k], fară canale de racire[z]
[z] B. Sreenivasulu, G. Vasu, V. Dharma Rao, and S. V. Naidu, Effect of Back Pressure and Flow Geometry on PEM Fuel Cell Performance - An Experimental Study, Int. J. Appl. Sci. Eng., 2013. 11, p.1-11.
(a) (b)
[k] Y.M.Ferng, A. Sub, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 4466 – 4476