Μοντελοποίηση & Βελτιστοποίηση Στρώματος
Διάχυσης Αερίου Κυψελών Καυσίμου και Πορώδους
στο OpenFOAM

Λαμπρινίδης, Πέτρος; Lamprinidis, Petros

dc.contributor.author	Λαμπρινίδης, Πέτρος
dc.contributor.author	Lamprinidis, Petros
dc.date.accessioned	2022-02-23T06:49:25Z
dc.date.available	2022-02-23T06:49:25Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54796
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22494
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Υπολογιστική Ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Κυψέλες Καυσίμου	el
dc.subject	Στρώμα Διάχυσης Αερίου	el
dc.subject	Πορώδες	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Computational Fluid Dynamics	el
dc.subject	Fuel Cells	el
dc.subject	Gas Diffusion Layer	el
dc.subject	Porosity	el
dc.subject	Optimization	el
dc.title	Μοντελοποίηση & Βελτιστοποίηση Στρώματος Διάχυσης Αερίου Κυψελών Καυσίμου και Πορώδους στο OpenFOAM	el
dc.title	Modeling & Optimization of Gas Diffusion Layer in Fuel Cells, in the OpenFOAM environment	en
dc.contributor.department	Μονάδα Παράλληλης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Mechanical Engineering	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-02-15
heal.abstract	Οι κυψέλες καυσίμου αποκτούν αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον ως εναλλακτική πηγή καθαρής και βιώσιμης ενέργειας για να αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα. Στην αυτοκινητοβιομηχανία, επικρατούν οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane, PEM) λόγω της υψηλής πυκνότητας ισχύος και των χαμηλών θερμοκρασιών λειτουργίας. ́Ενα από τα συστατικά στοιχεία της κυψέλης καυσίμου που έχει εξαιρετική επιρροή στην απόδοση είναι το Στρώμα Διάχυσης Αερίου (Gas Diffusion Layer, GDL) λόγω των ποικίλων φαινομένων που λαμβάνουν χώρα εκεί. Σε αυτήν τη διπλωματική εργασία, το GDL μίας κυψέλης καυσίμου PEM μοντελοποιεί- ται και βελτιστοποιείται ως προς το πορώδες του. Πρόσφατες έρευνες έχουν μελετήσει καινοτόμους τρόπους για τον έλεγχο της κατανομής πορώδους του GDL κατά την κατασκευή. Το πορώδες που χρησιμοποιείται σήμερα στο GDL είναι σταθερό. Είναι σημαντικό, επομένως, να μελετηθεί αριθμητικά εάν μια μη-σταθερή κατανομή πορώδους θα είχε ευνοϊκή επίδραση στην απόδοση της κυψέλης καυσίμου. Το μαθηματικό μοντέλο ανάλυσης μιας δεδομένης κυψέλης καυσίμου PEM επιλέγε- ται από τη βιβλιογραφία. Αποτελείται από τις εξισώσεις Navier-Stokes που έχουν τροποποιηθεί ώστε να ληφθούν υπόψη τα διάφορα ηλεκτρικά, θερμικά και χημικά φαινό- μενα, μια επιπλέον εξίσωση που αντιστοιχεί στη διφασική ροή που λαμβάνει χώρα και μια επιπλέον εξίσωση για τη διατήρηση των χημικών στοιχείων. Το μοντέλο αναπτύσ- σεται και προσομοιώνεται σε περιβάλλον OpenFOAM. Η βελτιστοποίηση πραγματοποιείται, στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό EASY του ΕΜΠ το οποίο βασίζεται σε εξελικτικούς αλγορίθμους. Η κατανομή πορώ- δους που χρησιμοποιείται είναι γραμμική και στις τρεις κατευθύνσεις ώστε να είναι ρεαλιστικά κατασκευάσιμη ακόμη και με έλεγχο του πορώδους κατά την κατασκευή. Αποδεικνύεται ότι οι κατανομές πορώδους είναι πράγματι ευνοϊκές και το πορώδες και στις τρεις κατευθύνσεις επηρεάζει την απόδοση. Ωστόσο, οι προτιμώμενες κατανομές εξαρτώνται σημαντικά από τις συνθήκες λειτουργίας. Το μεγαλύτερο τμήμα αυτής της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστά- σεις της Toyota Motor Europe στις Βρυξέλλες του Βελγίου κατά τη διάρκεια εξαμη- νιαίας πρακτικής άσκησης.	el
heal.abstract	Fuel cells are gaining increasing research interest as an alternative clean and sus- tainable energy source to replace fossil fuels. In the automotive industry, proton exchange membrane (PEM) fuel cells are prevailing due to the high power density and low working temperatures. One of the components of the fuel cell that signifi- cantly affects its performance is the Gas Diffusion Layer (GDL), due to the various phenomena that take place there. In this diploma thesis, the GDL of a PEM fuel cell is modeled and optimized with regards to its porosity. Nowadays, research is focusing on innovative ways to control the porosity distribution of the GDL. Porosity currently used in the GDL is con- stant. It is important, therefore, to numerically study whether a varying porosity distribution has a significant positive effect on the fuel cell performance. The CFD model that is used for the PEM fuel cell is selected from the literature, after an appropriate survey. It consists of modified Navier-Stokes equations to also account for the various electrical, thermal and chemical phenomena, an extra equa- tion accounting for the two-phase flow that takes place, and an equation for the conservation of chemical species. The model is developed and simulated in the OpenFOAM environment. On the other hand, the optimization is performed using the evolutionary algorithm based optimization software EASY of NTUA. The porosity distribution that is used is linear in all three directions to be realistically manufacturable even with porosity controlling manufacturing. It is shown that porosity non-constant distributions are indeed favorable and the porosity along all three directions has an impact on perfor- mance. The preferred distributions however depend significantly on the operating conditions. Major part in this diploma thesis was carried out in the premises of Toyota Motor Europe in Brussels, Belgium, during a 6 month long internship.	en
heal.advisorName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος
heal.committeeMemberName	Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	86
heal.fullTextAvailability	false