بررسی عددی مدیریت آب در کاتد و آند پیل سوختی غشاء تبادل پروتون

Abstract

یکی از مسائل کلیدی پیل سوختی غشاء تبادل پروتون، مدیریت آب است. این موضوع بدون در نظر گرفتن انتقال آب مایع درون پیل میسر نیست. در این مقاله مدل‌سازی عددی مدیریت آب در پیل سوختی غشاء تبادل پروتون به صورت دوبعدی و پایا انجام شده است. معادلات بقای جرم، مومنتم، انرژی، یون‌ها، گونه‌های اکسیژن و بخار آب و معادله انتقال آب مایع در تمام لایه‌های پیل شامل الکترودهای کاتد و آند حل شده‌ا‌ند. مطالعه ای عمومی بر فرآیندهای جاری در پیل با ارائه کانتورهای سرعت، دما، غلظت گونه‌های مختلف و اشباع آب مایع انجام شده‌است و تأثیر آب مایع بر کارآیی پیل مورد توجه قرار گرفته‌است. همچنین تأثیر میان گذر گازهای واکنش دهنده از غشاء بر راندمان پیل بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که با در نظر گرفتن اثر آب مایع در پیل سوختی غشاء تبادل پروتون، منحنی قطبش و منحنی راندمان مربوطه پا یین‌تر قرار می‌گیرد. اثرات چند متغیر کلیدی مانند ضریب نفوذ آب مایع، چگالی جریان، ضخامت غشاء و نسبت اکسیژن به نیتروژن روی شرایط و عملکرد پیل سوختی غشاء تبادل پروتون نظیر میزان اشباع آب مایع، غلظت مولی اکسیژن، چگالی توان، دمای پیل، بازده میان گذر، بازده کلی، پتانسیل و افت پتانسیل اهمی بررسی شده‌است. مشاهده شد که اشباع آب مایع در آند نیز قابل توجه است که ضرورت بررسی بیشتر رفتار آب مایع در این الکترود را می‌رساند. مقدار اشباع آب مایع در هر دو الکترود کاتد و آند با افزایش چگالی جریان، افزایش می‌یابد.