مدلسازی شبکه‌ای جهت بررسی اثر کوپلینگ پدیده‌های انتقال بر توزیع آب در لایه نفوذ گاز

Abstract

لایه نفوذ گاز سمت کاتد در پیل‌های سوختی غشا پلیمری، آب تولید شده در واکنش را از محیط متخلخل خود به بیرون هدایت می‌کند. این مقاله نگاهی انتقادی به مدل‌های شبکه متخلخل تولید شده برای لایه نفوذ گاز مبتنی بر فرض تزریق یکنواخت آب مایع از لایه کاتالیست به درون لایه نفوذ گاز دارد. این مدل‌ها منجر به توزیع نسبتا یکنواختی از اشباع آب مایع در راستای درون-صفحه‌ای در لایه نفوذ گاز می‌شوند و هیچ تفاوتی تحت کانال‌های جریان و تحت دنده‌ها مشاهده نمی‌گردد که با مشاهدات آزمایشگاهی مغایرت دارد. در این مقاله سعی شده است که مدل شبکه‌ای جریان دوفازی موجود با دیگر پدیده‌های انتقال در لایه نفوذ گاز و دیگر لایه‌ها کوپل شود. برای این کار، مدل مورد نظر با مدل‌های شبکه‌ای انتقال اکسیژن و الکترون در کاتد و همچنین با مدل‌ واکنش الکتروشیمیایی از لایه کاتالیست و مدل انتقال پروتون در غشا کوپل می‌شود. اولین نتیجه مدل، توزیع نرخ تولید محلی آب در لایه کاتالیست و همچنین تکامل زمانی نرخ کل تولید آب در لایه کاتالیست است که یک کاهش تقریبی 50% از شروع به کار پیل تا رسیدن به حالت دایمی تجربه می‌کند. در نتیجه کوپلینگ، توزیع اشباع آب در لایه نفوذ گاز کاملا غیریکنواخت بوده و شاهد ماکزیمم‌هایی تحت دنده‌ها می‌باشیم که نتیجه مستقیم تولید غیریکنواخت آب مایع در محل‌های انجام واکنش است.