Skip to main content
SUPERVISOR
Gholamreza Aryanpour,Mahmood Meratian isfahani,Mahmud Ashrafizadeh,Masoud Panepour
غلامرضا آریانپور (استاد راهنما) محمود مراتیان اصفهانی (استاد مشاور) محمود اشرفی زاده (استاد مشاور) مسعود پنجه پور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amir Masoud Parvanian
امیرمسعود پروانیان

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.
به دلیل محدود بودن منابع تامین سوخت فسیلی و نیز مشکلاتی از قبیل آلایندگی محیط زیست، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در چند سال اخیر گسترش روزافزونی یافته است. در این بین پیل سوختی پلیمری به عنوان یک منبع تامین انرژی نسبتا ارزان و پاک در کاربردهای حمل و نقل مورد توجه محققین زیادی قرار گرفته است. یک پیل سوختی پلیمری از اجزای متفاوتی تشکیل شده که یکی از اجزای مهم آن، صفحات دوقطبی می باشد و عمدتا از صفحات شیاردار گرافیتی ساخته می شوند. این صفحات، ترد وشکننده بوده و معمولا حدود 80 درصد از وزن کل و 45 درصد از هزینه تمام شده پیل را به خود اختصاص می دهند که لزوم بهینه سازی طراحی و مواد به کاررفته در این جزء را نشان می دهد. از اینرو در سال های اخیر مواد متخلخل فلزی موسوم به فوم فلزی به عنوان جایگزین مناسبی برای این صفحات پیشنهاد شده است. بر این اساس اهداف اصلی پژوهش حاضر عبارتند از: (1) توسعه طراحی ماده متخلخل فلزی با استفاده از شبیه سازی عددی، (2) انتخاب فرایند ساخت و مشخصه یابی آن به منظور جایگزینی صفحات دوقطبی مرسوم در پیل های سوختی پلیمری. در این تحقیق بررسی دو پارامتر درصد تخلخل و اندازه حفرات بر روی پارامتر نفوذپذیری به عنوان مهم ترین خاصیت مواد متخلخل در قابلیت عبور جریان سیال مدنظر قرار گرفت. لذا در قدم اول اثر پارامترهای مذکور بر نفوذپذیری محیط متخلخل بازسازی شده سه بعدی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیه سازی عددی به کمک روش شبکه بلتزمن به ترتیب نشان از رابطه اکسپونانسیلی پارامتر نفوذپذیری با درصد تخلخل و نیز رابطه توانی آن با اندازه حفرات دارد. همچنین نتایج حاصل از شبیه سازی می تواند به خوبی رابطه تغییرات گرادیان فشاری را بر حسب سرعت ظاهری جریان سیال در هر محیط متخلخل پیش بینی کند. در قدم بعدی با انتخاب فرایند سینترینگ توام با حذف کربنات (LCS) و بهینه سازی برخی پارامترهای آن، ماده متخلخل از جنس مس برای کاربرد موردنظر تولید گردید. نتایج حاصل از آنالیز فازی و نیز بررسی های ریزساختاری فوم تولیدی، نشان از قابلیت بالای فرایند LCS در تولید ماده متخلخل با خواصی از قبیل درصد تخلخل و اندازه حفرات پیش بینی شده در طراحی را دارد. در ادامه خواص مکانیکی فوم تولیدی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. نتایج نشان از افزایش استحکام خمشی نمونه متخلخل با افزایش چگالی نسبی و نیز کاهش اندازه حفرات دارد. همچنین مطالعه خواص نفوذپذیری، حاکی از نفوذپذیری مناسب، کمتر از m 2 8- 10، مواد متخلخل تولیدی به روش LCS جهت کاربرد در پیل سوختی پلیمری می باشد. بر این اساس نمونه فومی با درصد تخلخل حدود 60 درصد و اندازه حفرات حدود 400 میکرون معادل ppi65 به عنوان ماده مناسب جهت جایگزینی صفحات دوقطبی مرسوم در نظر گرفته شد. واژگان کلیدی: بهینه سازی، پیل سوختی پلیمری، صفحات دوقطبی، فوم فلزی، روش سینترینگ توام با حذف کربنات، روش شبیه سازی شبکه بلتزمن

ارتقاء امنیت وب با وف بومی