مدل سازی میکروسکوپی لایه ی کاتالیزور کاتدی پیل سوختی غشایی به منظور بررسی عامل پیچ و خم و ضریب نفوذ موثر

با توجه به اهمیت تاثیر شکل ساختاری و میزان حد اشباع لایه ی کاتالیزور کاتدی بر عملکرد پیل سوختی غشایی یک مدل میکروسکوپی به منظور شبیه سازی فرایندهای انتقال در این لایه ارائه می گردد. براساس این مدل، عامل پیچ و خم و ضریب نفوذ موثر لایه ی کاتالیزور با ضرایب تخلخل و حد اشباع های متفاوت به دست آمد. نحوه ی توزیع آب از حل معادلات جریان دوفازی با استفاده از روش حجم سیال حاصل گردید. در این تحقیق، ساختار لایه ی کاتالیزور با بهره گیری از فرض وجود آگلومره های کربنی به-صورت دایره و کره های هم اندازه به ترتیب در محیط های دوبعدی و سه بعدی ایجاد گردید. برای قرارگیری آگلومره ها در سیستم از یک الگوریتم ترتیبی استفاده شد. مقایسه-ای بین نتایج به دست آمده از میدان حل دوبعدی و سه بعدی انجام گردید. به علت عامل پیچ و خم بیشتر محیط دوبعدی از محیط سه بعدی، مقدار کمتری برای ضریب نفوذ موثر محیط دوبعدی به دست آمد. با این حال، ملاحظه گردید که منحنی تغییرات نتایج بر حسب ضریب تخلخل تقریبا یکسان است. ضریب نفوذ موثر لایه ی کاتالیزور با ضرایب تخلخل و حد اشباع های مختلف به دست آمد. با توجه به نتایج، افزایش حد اشباع باعث کاهش ضریب نفوذ موثر می شود که این امر به علت بسته شدن مسیرهای عبور گاز توسط آب موجود در سیستم است. همچنین، کاهش ضریب تخلخل باعث کاهش ضریب نفوذ موثر لایه ی کاتالیزور می گردد که این امر به علت افزایش عامل پیچ و خم است. کاهش ضریب نفوذ موثر اکسیژن در لایه ی کاتالیزور کاتدی باعث کاهش غلظت اکسیژن موجود در محل واکنش الکتروشیمیایی و در نتیجه موجب افت کارایی پیل سوختی غشایی می گردد.

کلیدواژه ها:

Pore scale modelling ، cathode catalyst layer ، two-phase flow ، PEM fuel cell ، Effective diffusivity ، مدل سازی میکروسکوپی ، لایه ی کاتالیزور کاتدی ، جریان دوفازی ، پیل سوختی غشایی ، ضریب نفوذ موثر