PIV og CFD analyse af brændselscelle manifold Jesper Lebæk Jespersen, ErhvervsPhD-studerende, M.Sc. (mech. Eng.) Teknologisk Institut Mads Bang and Søren Knudsen Kær Aalborg University, Institute of Energy Technology
Indhold Hvorfor er flow distributionen vigtig i en brændselscelle Computational Fluid Dynamics Model Numerisk setup Particle Image Velocimetry Eksperimentelt setup Resultater Mikro-PIV experiment Konklusion
Manifold Flow Distribution Bipolar plader er konstrueret efter høj energitæthed <W/L Manifolden består derfor ofte af aflange kanaler
Manifold Flow Distribution Analyse: I hvilken grad påvirkes flowet i manifolden af indløbsgeometrien? Typisk brændselscellestak med cirkulær indløbsgeometri for luft og H2
Manifold Flow Distribution Manifolden er typisk udsat for sudden expansion Typisk tilfælde af sudden expansion
Computational Fluid Dynamics (CFD) Numerisk setup k-ε turbulens model (Transition zone Re < 16,000) 900,000 cells used Kommerciel CFD program Fluent Boundary conditions: No slip conditions Pressure outlet Mass flow inlet definition (uniform flow) Porous jump genere trykfald til simulering af bipolar plader
Computational Fluid Dynamics (CFD) Numerisk net Hovedsageligt strukturet net Inlet section Side view
Particle Image Velocimetry (PIV) Test setup Seedning er essential! Seedning er generet fra paraffin olie (middel diameter = 1.55 μm)
Particle Image Velocimetry (PIV) Test rig
Particle Image Velocimetry (PIV) Test rig Diffuser design er brugt både numerisk og eksperimentelt
Particle Image Velocimetry (PIV) Typisk PIV billede Masking Reflections Cell inlet
Particle Image Velocimetry (PIV) Meget detaljerede vektor plots
Results CFD simulering
Results CFD vs. Eksperimenter X Plug flow inlet condition CFD X-velocity [m/s] 25 Z -5 Diffuser inlet condition CFD X-velocity [m/s] 35 X Experiments Z -5
Results Cirkulært indløb centerline hastighed
Results Asymmetric Confined Jet Velkendt fænomen, også kendt som Coanda effect eller symmetry-breaking bifurcation phenomenon Hawa, Journal of Fluid Mechanics, 2001, vol.436, p. 283-320 Fearn et al., Journal of Fluid Mechanics, 1990, vol. 211, p. 211-595
Results Differens trykmålinger Eksperimentelt setup
Results Differens trykmålinger Resultater
Results Differens trykmålinger Resultater
Results CFD vs. Experiments
Results Velocity profiles Inlet manifold Outlet manifold
Mikro-PIV eksperiment Problem og motivation Umiddelbart problem: At undersøge det konvektive flow gennem GDL i serpentin kanaler vha. μ-piv Ultimativt mål: At finde en metode til at måle hastighederne i kanalerne på en brændselscelle i drift.
Metode Micro-PIV princip (μ-piv) λ = 532 nm λ = 560 nm Werely and Meinhart
Method Courtesy of Grant Minor, Uvic Micro-PIV princip (μpiv) - eksempler Fluorescent particle image in a microtube with 0.1 mm diameter Courtesy of Sugii et al
Metode - Seeding er kritisk! Stokes tal et mål for kvaliteten af seedning St τ τ Partikel respons tid τ V = V = F ρ d D = 18μ c τ VU L 2 For at seedning partiklerne kan reagere tilstrækkeligt på dynamikken i flowet skal Stokes tallet være St << 1 Owing to challenges associated wit seeding and particle inertia, μ-piv has not been successfully applied to to gaseous microflows to date Werely and Meinhart, 2004
Find a good seeding method Microspheres in water droplets 0.001 % solids (0,7-1 μm) by volume Water dyed with Rhodamine 1:10 solution of 1mM Rhodamine B Barreras et al. J. Fluids Engineering, 2003 Microspheres Rhodamine
Experimental Setup
Results Water dyed with Rhodomine, measurements directly from tube outlet
Results Water dyed with Rhodomine, measurements directly from tube outlet
Konklusion Vær opmærksom på indløbsgeometrien ved design af en manifold. Bløde overgange hjælper! CFD simuleringer udviser overensstemmelse med de eksperimentelle målinger. CFD er godt værktøj til undersøgelse af flowforhold i brændselsceller PIV målinger kan genere højt opløselige data, som er særdeles velegnet til verficering af CFD simuleringer. Seedning er vigtigt! Mikro-PIV til gasflows er potentielt muligt, men det kræver yderligere optimering af seedning. Tak for jeres opmærksomhed!
Acknowledgement Special thanks to my co-workers: Marcin Blazniak Andreasen Henrik Assenholm Andresen Thanks to my supervisors from Aalborg University: Mads Bang, Assistant Professor Henrik Sørensen, Assistant Professor Søren Knudsen Kær, Associate Professor Thanks to the Ministry of Science, Technology and Innovation for supporting this work.