Numerical Modeling of an Innovative Bipolar Plate Design Based on the Leaf Venation Patterns for PEM Fuel Cells

عملكرد پيل‌هاي سوختي غشا پليمري تبادل پروتوني مستقيماً به طراحي كانال‌هاي جريان و صفحات دو قطبي مرتبط است. توان به‌دست آمده بسته به نوع، اندازه يا ترتيب قرارگيري كانال‌ها مي‌تواند متغير باشد. مشخص شده است كه طراحي ميدان جريان نقشي‌ تعيين كننده روي انتقال جرم و مديريت آب در پيل‌هاي سوختي غشا تبادل پروتوني پليمري دارد. اين تحقيق روي بهبود عملكرد پيل سوختي از طريق بهينه سازي اندازه و ترتيب كانال‌ها تمركز دارد. براي پيدا كردن حالت بهينه، يك مدل عددي دو بعدي از توزيع جريان بر اساس معادلات ناوير- ‌استوكس و با استفاده از يك كد كامپيوتري ارايه شده است. نتايج حاصل از اين مدل سازي تطابق خوبي با نتايج تجربي‌ به‌دست آمده در كارهاي قبلي‌ از خود نشان داد. در نهايت، از شبيه سازي عددي براي بررسي‌ مزاياي يك طرح تازه، كه الهام گرفته از برگ‌هاي گياهان مي‌باشد استفاده شد. اين طراحي‌ با‌هدف يافتن افت فشار كمتر و توزيع فشار و سرعت همگون‌تر در كانال‌هاي جريان بوده است. مشخص شد كه در طراحي جديد ميدان‌هاي سرعت و فشار بسيار همگنتر مي‌باشند، بنابرين، انتظار مي‌رود كه توزيع واكنش‌گر‌ها روي سطح لايه نفوذ گازي و لايه كاتاليستي بهتر صورت گيرد، كه در نهايت باعث بالا رفتن راندمان مي‌شود

Flow channel design on bipolar plates has a direct effect on Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell performance. It has been found out that the flow field design has a deterministic role on the mass transport and water management, and therefore on the achieved power in PEM Fuel cells. This study concentrates on improvements in the fuel cell performance through optimization of channel dimensions and configuration. To find an optimized state, a two dimensional numerical model of the flow distribution based on the Navier-Stokes equations and by use of an individual computer code is presented. The simulated results showed a very good agreement with the experimental results obtained in previous works. Finally, numerical simulation has been conducted to investigate the advantages of a newly proposed pattern with inspiration from plant leaves. The main design criteria are focused on less pressure drop and more uniform pressure and velocity distributions throughout the flow channels. It was found that both velocity and pressure fields are much more homogeneous in the new channel design; therefore, it is expected to produce a more uniform dispersal of reactants over the GDL and the catalyst layer, which in turn causes the efficiency to enhance.