Skip to main content
SUPERVISOR
Gholamreza Aryanpour,Mahmood Meratian isfahani,Mahmud Ashrafizadeh,Masoud Panepour
غلامرضا آريانپور (استاد راهنما) محمود مراتيان اصفهاني (استاد مشاور) محمود اشرفي زاده (استاد مشاور) مسعود پنجه پور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amir Masoud Parvanian
اميرمسعود پروانيان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Development of Porous Metallic Materials for Fuel Cell Applications
Due to limited fossil fuel resources and environmental problems such as pollution, using renewable energy sources in recent years has increasingly spread. The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), as a relatively cheap and clean energy source in traort applications, is considered by many researchers. A PEMFC consists of different components. Bipolar plates as one of the most important components of PEMFC are mainly made of graphite corrugated plates. Graphite bipolar plates are brittle in which usually about 80 percent of the fuel cell total weight and 45 percent of the total cost is allocated to this component. So it is inevitable to optimize the design and materials of this component to commercialize PEMFCs. In recent years, porous metallic materials known as metal foams have been suggested as a suitable alternative for bipolar plates. Accordingly the main objectives of this study are: (1) development of porous metal design using numerical simulation and (2) the selection of synthesis process and characterization of porous metallic materials to replace conventional PEMFC bipolar plates. In fact, the effects of porosity and pore size were considered on the permeability as the most important factor in flow conductivity of porous media. The results of lattice Boltzmann numerical simulation of fluid flow in 3D reconstructed porous media respectively indicate the permeability of porous media as an exponential relation of porosity percent and a power relation of pore size. Numerical simulations could also predict the variation of pressure gradient vs. superficial velocity of fluid flow in porous media. In another step by choosing the lost carbonate sintering (LCS) process and optimization of some process parameters, porous copper material has been synthesized. Results of phase and micro structural analysis show that LCS has such a high capability to produce porous metallic materials with desired pore size and porosity percent. In addition, the mechanical properties of produced foams were studied. Results show an increase of flexural strength with relative density increasing and pore size decreasing. Permeability measurement analysis also confirm the flexibility of LCS to produce metallic foams with appropriate permeability, below the 10-8 m2, for application in PEMFCs. Accordingly, the foam with a porosity of 60% and pore size of 400 micron equal to 65 ppi as a replacement for the conventional bipolar plates was selected. Keywords: Optimization, Proton exchange membrane fuel cell, Bipolar plates, Metallic foam, Lost carbonate sintering, Lattice Boltzmann simulation method.
چکيده به دليل محدود بودن منابع تامين سوخت فسيلي و نيز مشکلاتي از قبيل آلايندگي محيط زيست، استفاده از منابع انرژي تجديدپذير در چند سال اخير گسترش روزافزوني يافته است. در اين بين پيل سوختي پليمري به عنوان يک منبع تامين انرژي نسبتا ارزان و پاک در کاربردهاي حمل و نقل مورد توجه محققين زيادي قرار گرفته است. يک پيل سوختي پليمري از اجزاي متفاوتي تشکيل شده که يکي از اجزاي مهم آن، صفحات دوقطبي مي باشد و عمدتا از صفحات شياردار گرافيتي ساخته مي شوند. اين صفحات، ترد وشکننده بوده و معمولا حدود 80 درصد از وزن کل و 45 درصد از هزينه تمام شده پيل را به خود اختصاص مي دهند که لزوم بهينه سازي طراحي و مواد به کاررفته در اين جزء را نشان مي دهد. از اينرو در سال هاي اخير مواد متخلخل فلزي موسوم به فوم فلزي به عنوان جايگزين مناسبي براي اين صفحات پيشنهاد شده است. بر اين اساس اهداف اصلي پژوهش حاضر عبارتند از: (1) توسعه طراحي ماده متخلخل فلزي با استفاده از شبيه سازي عددي، (2) انتخاب فرايند ساخت و مشخصه يابي آن به منظور جايگزيني صفحات دوقطبي مرسوم در پيل هاي سوختي پليمري. در اين تحقيق بررسي دو پارامتر درصد تخلخل و اندازه حفرات بر روي پارامتر نفوذپذيري به عنوان مهم ترين خاصيت مواد متخلخل در قابليت عبور جريان سيال مدنظر قرار گرفت. لذا در قدم اول اثر پارامترهاي مذکور بر نفوذپذيري محيط متخلخل بازسازي شده سه بعدي مورد مطالعه و بررسي قرار گرفت. نتايج حاصل از شبيه سازي عددي به کمک روش شبکه بلتزمن به ترتيب نشان از رابطه اکسپونانسيلي پارامتر نفوذپذيري با درصد تخلخل و نيز رابطه تواني آن با اندازه حفرات دارد. همچنين نتايج حاصل از شبيه سازي مي تواند به خوبي رابطه تغييرات گراديان فشاري را بر حسب سرعت ظاهري جريان سيال در هر محيط متخلخل پيش بيني کند. در قدم بعدي با انتخاب فرايند سينترينگ توام با حذف کربنات (LCS) و بهينه سازي برخي پارامترهاي آن، ماده متخلخل از جنس مس براي کاربرد موردنظر توليد گرديد. نتايج حاصل از آناليز فازي و نيز بررسي هاي ريزساختاري فوم توليدي، نشان از قابليت بالاي فرايند LCS در توليد ماده متخلخل با خواصي از قبيل درصد تخلخل و اندازه حفرات پيش بيني شده در طراحي را دارد. در ادامه خواص مکانيکي فوم توليدي مورد مطالعه و بررسي قرار گرفت. نتايج نشان از افزايش استحکام خمشي نمونه متخلخل با افزايش چگالي نسبي و نيز کاهش اندازه حفرات دارد. همچنين مطالعه خواص نفوذپذيري، حاکي از نفوذپذيري مناسب، کمتر از m 2 8- 10، مواد متخلخل توليدي به روش LCS جهت کاربرد در پيل سوختي پليمري مي باشد. بر اين اساس نمونه فومي با درصد تخلخل حدود 60 درصد و اندازه حفرات حدود 400 ميکرون معادل ppi65 به عنوان ماده مناسب جهت جايگزيني صفحات دوقطبي مرسوم در نظر گرفته شد. واژگان کليدي: بهينه سازي، پيل سوختي پليمري، صفحات دوقطبي، فوم فلزي، روش سينترينگ توام با حذف کربنات، روش شبيه سازي شبکه بلتزمن

ارتقاء امنیت وب با وف بومی