تحلیل حرارتی الکترولایزر PEM: مقایسه دیواره عایق و دما ثابت در ناحیه CL/GDL

الکترولایزر غشای تبادل پروتون PEM به دلیل چگالی جریان بالا و پاسخ پذیری مناسب، یکی از گزینه های اصلی تولید هیدروژن پاک است؛ بااین حال، مدیریت حرارتی و کنترل توزیع دما در لایه های فعال، نقش تعیین کننده ای در بازده و پایداری آن دارد. در این پژوهش، توزیع دما در یک تک سلول PEM با تمرکز بر فصل مشترک لایه کاتالیست–لایه نفوذ گاز (CL/GDL) به کمک شبیه سازی عددی در نرم افزار ANSYS Fluent بررسی شده است. مدل با فرض جریان آرام، تک فازی و پایا و با فعال سازی زیر مدل الکتروشیمیایی باتلر–ولمر پیاده سازی گردید. دو شرط حرارتی برای وجوه الکتریکی سلول در نظر گرفته شد: دما ثابت K ۳۵۳ و مرز عایق حرارتی؛ همچنین اثر دو ولتاژ اعمالی V۹/۱ و V۳/۲ مطالعه شد. نتایج نشان داد با افزایش ولتاژ، بیشینه دما به طور محسوس افزایش یافته و یکنواختی میدان حرارتی کاهش می یابد. علاوه بر این، اعمال شرط مرزی عایق نسبت به حالت دما ثابت، به افزایش بیشتر دما و رشد گرادیان های حرارتی در ناحیه CL/GDL منجر می شود؛ به طوری که در ولتاژ V۳/۲ و حالت عایق، بیشینه دما به حدود K ۴۳۸ رسید که می تواند از منظر پایداری غشا و لایه های کاتالیست نامطلوب باشد. این نتایج بر ضرورت لحاظ کردن دفع حرارت و انتخاب صحیح شرایط مرزی حرارتی در شبیه سازی ها و نیز طراحی سامانه های خنک کاری برای بهبود عملکرد و دوام الکترولایزرهای PEM تاکید دارد.

کلیدواژه ها:

الکترولایزر PEM ، دینامیک سیالات محاسباتی ، توزیع دما ، باتلر–ولمر ، مدیریت حرارتی