Climate change and rising temperatures is a well-known problem. To tackle global warming a transition from fossil fuels to renewable and reliable energy sources is necessary. Hydrogen, in fuel cells, is proposed to replace diesel and gasoline in the transport sector. Hydrogen is a pure fuel and the fuel cells only emit water and heat as a byproductbyproduct. Combined with electric motors, the hydrogen fuel cell can be 2-3 times more efficient compared to combustion engines fueled by gasoline. The performance of the fuel cell is affected by how the individual parts of the cell are designed. There are some difficulties in manufacturing complex geometries which requires require a forming in more than one step. The goal isis to investigate, with the help of COMSOL Multiphysics software, how the performance of the fuel cell is affected by the shaped geometry at the cathode side of the flow plate. A numerical model is developeding will be made with varying parameters on the measurement of the cross-sections of the channels where pressure drop and flow distribution for ten different geometries isarewill be investigated. The model iswas built in the COMSOL Multiphysics 6.1 Software and includes a three-dimensional geometry consisting of a gas channel and a gas diffusion layer. The flow is laminar and the gas diffusion layer is set as a porous medium. The results show that geometries with less sharp edges have lower pressure drops and more uniform flow distribution compared to geometries with sharper edges. The geometry with the sharpest edges has the highest pressure drop of 4.8 Pa/mm and the geometry with rounder edges has the lowest of 3.8 Pa/mm. A relationship between pressure drop and cross-sectional area can be found. With increasing radius and increasing cross-sectional area will the pressure drop decrease. The Reynolds number is higher for sharper geometries since the average velocity in the channels is higher, which also gives a lower friction factor. The length of the top flat becomes less for rounder geometries, which positively affects uniform flow distribution. The geometries with rounder edges have the most uniform distribution at the top of the gas diffusion layer and the sharpest geometry has the least uniform distribution. The deviation from the mean velocity is lower for sharper geometries, mainly because the velocities in the gas diffusion layer are lower. Sensitivity analysis was made over the mass flow rate and mesh, showing that the pressure drop is proportional to the mass flow rate and it becomes higher with less fine mesh. Less fine mesh also gives lower velocities in the gas diffusion layer. Further studies can be made on how the gas diffusion layer behaves in the fuel cell when adding clamping force to the stack when putting it together and investigate if and how it affects pressure drop and flow distribution. The environmental benefit can be crucial if the performance of the fuel cells improves and motivates the investments which is are needed for, among other things, the infrastructure. / Klimatförändringar och stigande temperaturer är ett välkänt problem. För att ta itu med den globala uppvärmningen är en övergång från fossila bränslen till förnybara och pålitliga energikällor nödvändigt. Vätgas, går bland annat att användas ii bland annat bränsleceller och , skulle kunna ersätta diesel och bensin inom transportsektorn. Vätgas är ett rent bränsle och bränslecellerna släpper bara ut vatten och värme som biprodukter. I kombination med elmotorer kan vätgasbränslecellen vara 2–3 gånger mer effektiva jämfört med förbränningsmotorer som drivs av bensin. Bränslecellens prestanda påverkas av hur de enskilda delarna av cellen är utformade. Det finns vissa svårigheter att tillverka komponenter med komplexa geometrier som kräver formning i fler än ett steg. Målet är att med hjälp av programvaran COMSOL Multiphysics undersöka hur bränslecellens prestanda påverkas av den formade geometrin på katodsidan av flödesplattan. En numerisk modellering kommer att utförasgöras utifrån med varierande parametrar därpå måtten hos kanalernas tvärsnitt varieras. Tdär tryckfall och flödesfördelning hos tio olika geometrier kommer att undersökas. Modellen byggdes i COMSOL Multiphysics 6.1 Software och inkluderar en tredimensionell geometri bestående av en gaskanal och ett gasdiffusionsskikt. Flödet är laminärt och gasdiffusionsskiktet antas vara ett poröst medium. Resultaten visar att geometrier med mindre skarpa kanter ger lägre tryckfall och jämnare flödesfördelning jämfört med geometrier med skarpare kanter. Geometrin med skarpast kanter har det högsta tryckfallet på 4.8 Pa/mm och geometrin med rundare kanter har ett tryckfall på 3.8 Pa/mm. Ett samband mellan tryckfall och tvärsnittsarea kan hittas då ökad radie och ökad tvärsnittsarea ger en minskning i tryckfall. Reynoldstalet är högre för skarpare geometrier eftersom medelhastigheten i kanalerna är högre, vilket också ger en lägre friktionsfaktor. Längden på toppen av kanalerna blir mindre för rundare geometrier, vilket påverkar flödesfördelningen positivt. Geometrierna med rundare kanter har den mest jämna fördelningen i toppen av gasdiffusionsskiktet och den skarpaste geometrin har den minst jämna fördelningen. Avvikelsen från medelhastigheten är lägre för skarpare geometrier, främst på grund av att hastigheterna i gasdiffusionslagret är lägre. Känslighetsanalys gjordes över storleken på massflödet och noggrannheten i meshen, vilket visar att tryckfallet är proportionellt mot massflödet och att det blir högre med mindre noggrann mesh. Mindre noggrann mesh ger också lägre hastigheter i gasdiffusionsskiktet. Ytterligare studier kan göras om hur gasdiffusionslagret beter sig i bränslecellen vid sammanpressning av alla delar i cellen och undersöka om och hur det påverkar tryckfall och flödesfördelning. Fördelen för miljönMiljönyttan kan vara stor om bränslecellernas prestanda förbättras och på så vis kan motivera de investeringar som behövs för utbyggnaden av bland annat infrastrukturen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kau-95606 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Johansson, Olivia |
| Publisher | Karlstads universitet, Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap (from 2013) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0027 seconds