کد مقاله کد نشریه سال انتشار مقاله انگلیسی نسخه تمام متن
6604568 1424096 2018 10 صفحه PDF دانلود رایگان
عنوان انگلیسی مقاله ISI
Numerical investigation and optimization of vapor-feed microfluidic fuel cells with high fuel utilization
ترجمه فارسی عنوان
بررسی عددی و بهینه‌سازی سلول‌های سوخت میکروسیالی تغذیه بخار با مصرف سوخت زیاد
کلمات کلیدی
تغذیه بخار، سلول سوختی مایکروفیلیید، مدل سازی عددی، لایه مرزی سوخت مصرف سوخت،
فهرست مطالب مقاله
چکیدهکلمات کلیدی1.مقدمهشکل.1 نمودار شماتیک برای دو حالت تغذیه سوخت مختلف در MFCs: (a) تغذیه مایع؛ (b) تغذیه بخار.2. مدل عددی2-1 حیطه‌ی محاسباتی شکل.2 حیطه‌ی محاسباتی مدل VF-MFC کنونی (1- سطح تبخیر سوخت، 2- محفظه بخار، 3- آند پخش گاز، 4- شیار آند، 5- کانال الکترولیت، 6- شیار کاتد، 7- کاتد پخش گاز؛ تصویر الصاقی پایینی یک تصویر SEM از مورفولوژی سطح آند GDL استفاده شده در آزمایش قبلی ما است[6]).2-2 معادلات حاکم2-2-1 هیدرودینامیک2-2-2 انتقال جرم2-2-3 سینتیک الکتروشیمیاییجدول.1 پارامترهای ورودی کلیدی در مدل VF-MFC کنونی.  2-4 راه حل عددی3.نتایج و بحث3-1 تایید مدلشکل.3 تایید مدل با داده تجربی تحت شرایط مختلف آزمایش: (a) غلظت‌های مختلف سوخت؛ (b) غلظت‌های مختلف الکترولیت؛ (c) نرخ‌های مختلف جریان الکترولیت.3-2 توزیع سوخت در VF-MFCشکل.4 مقایسه‌ی بین VF-MFC و LF-MFC: (a) نمودار شماتیک مدل LF-MFC؛ (b) عملکرد سلول؛ (c) مصرف سوخت.شکل.5 توزیع سوخت در داخل کانال میکروسیالی : (a) VF-MFC (تصویر الصاقی سمت چپ توزیع نرخ‌های جریان محلی در یک سطح mm 01/0 دور از آند CL را نشان می‌دهد)؛ (b) LF-MFC3-3 مطالعه‌ی پارامتری و بهینه‌سازی3-3-1 تاثیر آهنگ جریان الکترولیتشکل.6 تاثیر آهنگ جریان الکترولیت برروی VF-MFC: (a) منحنی‌های قطبش؛ (b) غلظت سوخت در آند و کاتد CL در OCV؛ (c) چگالی جریان مدار کوتاه و غلظت هیدروکسیل در آند CL؛ (d) مصرف سوخت.3-3-2 تاثیر مساحت تبخیر سوخت شکل.7 تاثیرمساحت تبخیر سوخت بر VF-MFC: (a) توزیع غلظت بخار در داخل محفظه بخار؛ (b) منحنی‌های قطبش؛ (c) مصرف سوخت در V 3/0 و غلظت سوخت در آند CL در OCV.شکل.8 تاثیر نسبت بازبودن آند برروی VF-MFC: (a) توزیع سوخت حل نشده در داخل جریان الکترولیت؛ (b) منحنی‌های قطبش (جریان مطلق و خروجی توان)؛ (c) مصرف سوخت و غلظت سوخت در خروجی کانال؛ (d) غلظت سوخت در کاتد CL.3-3-3 تاثیر نسبت بازبودن آند4. نتیجه‌گیری
ترجمه چکیده
سلول سوخت میکروسیالی تغذیه بخار(VF-MFC) مزایای مختلفی دربرابر سلول سوخت میکروسیالی تغذیه مایع معمولی دارد، مانند مدیریت سیالی ساده‌تر، مصرف سوخت بیشتر، غیرحساس بودن به آهنگ جریان و مانند آن. برای درک بهتر مکانیسم نهفته در ارجحیت آن و برای بهینه‌سازی بیشتر عملکرد آن یک مدل عددی همدما 3D در این کار مطرح شده است. نتایج محاسباتی با داده‌های قبلی و تجربی کنونی به خوبی سازگاری دارند، و اعتبار مدل کنونی برای شبیه‌سازی VF-MFC را فرآهم می‌کنند. ازطریق اینمدل، مشخص می‌شود که سوخت محلول در VF-MFC در یک لایه مرزی نازک نزدیک به سطح کاتالیزور آند به خوبی کنترل می‌شود، که نه تنها می‌تواند تقاضای واکنش اکسیداسیون آند را برآورده کند بلکه هدردهی سوخت را نیز تا حدزیادی کاهش می‌دهد. به این ترتیب، VF-MFC می‌تواند به خروجی توان رضایتبخش و ضمنا مصرف سوخت زیاد دست یابد. علاوه براین، تاثیر لایه مرزی بر آهنگ جریان الکترولیت می‌تواند غلظت سوخت را در لایه نازک در نرخ‌های مختلف جریان نسبتا پایدار نگه دارد، که می‌تواند دلیل غیرحساس بودن عملکرد VF-MFC به آهنگ جریان الکترولیت باشد. به منظور بهبود بیشتر خروجی توان و بازده سوخت آن، اثرات مساحت تبخیر سوخت و نسبت بازبودن آند نیز کاملا با مدل کنونی مورد بررسی قرارگرفته‌‌اند. مشخص می‌شود که یک نسبت مساحت بخیر-واکنش 1/11 برای VF-MFC کنونی کافی است، درحالیکه یک مساحت تبخیر سوخت کوچکتر می‌تواند منجر به بهبود مصرف سوخت به هزینه‌ی خروجی توان کمتر شود. برای بهبود بخشیدن به مصرف سوخت و خروجی توان، مساحت الکترود به سمت خروجی کانال افزایش می‌یابد درحالیکه مساحت ورودی بخار ثابت نگه داشته می‌شود، یعنی نسبت بازبودن آند کاهش می‌یابد. با این استراتژی، VF-MFC می‌تواند به %48 خروجی توان بیشتر دست یابد و مصرف سوخت از %5/27 به %8/41 افزایش یابد، هنگامیکه یک نسبت بازبودن آند 1:3 اتخاذ می‌شود.
موضوعات مرتبط
مهندسی و علوم پایه مهندسی شیمی مهندسی شیمی (عمومی)
پیش نمایش مقاله
بررسی عددی و بهینه‌سازی سلول‌های سوخت میکروسیالی تغذیه بخار با مصرف سوخت زیاد
چکیده انگلیسی
Vapor-feed microfluidic fuel cell (VF-MFC) has various advantages against the conventional liquid-feed microfluidic fuel cell, such as simpler fluidic management, higher fuel utilization, flow rate insensitiveness, and so on. To better understand the mechanisms behind its superiority and to further optimize its performance, a 3D isothermal numerical model has been developed in this work. The computational results agree very well with the previous and present experimental data, proving the validity of the current model for the VF-MFC simulation. Through this model, it is found that the dissolved fuel in the VF-MFC is well-controlled within a thin boundary layer nearby the anode catalyst surface, which can not only satisfy the demand of anode oxidation reaction but also greatly alleviate the wastage of fuel. In this manner, the VF-MFC can achieve satisfactory power output and high fuel utilization at the same time. In addition, the boundary layer effect on electrolyte flow rate can keep the fuel concentration in the thin layer relatively stable at different flow rates, which may be the reason behind the insensitiveness of VF-MFC performance to electrolyte flow rate. To further improve its power output and fuel efficiency, effects of the fuel evaporation area and the anode open ratio have also been thoroughly investigated with the present model. It is found that an evaporation-reaction area ratio of 11.1 is sufficient for the present VF-MFC, while a smaller fuel evaporation area can lead to improved fuel utilization at the expense of lower power output. To improve both the fuel utilization and power output, the electrode area towards the channel outlet is increased while keeping the vapor entrance area constant, i.e. the anode open ratio is reduced. By this strategy, the VF-MFC can achieve 48% higher power output and elevated fuel utilization from 27.5% to 41.8%, when an anode open ratio of 1:3 is adopted.
ناشر
Database: Elsevier - ScienceDirect (ساینس دایرکت)
Journal: Electrochimica Acta - Volume 261, 20 January 2018, Pages 127-136
نویسندگان
, , , , ,