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

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 تاثیر آب مایع بر کارآیی پیل مورد توجه قرار گرفته‌است. همچنین تاثیر 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.

Numerical Investigation of Water Management in the Cathode and Anode Sides of Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Water management in a proton exchange membrane fuel cell is numerically modeled by considering the 2D, nonisothermal steady flow assumptions. Governing equations are solved in all cell layers including cathode and anode electrodes by finite volume method using a singleregion approach. The effect of gas crossover through the membrane is studied on cell performance. This consideration, not only improves the general accuracy of modeling, but also makes it possible to model energy losses due to direct reaction of reactant gases. The effect of some key variables such as liquid water diffusivity, current density, membrane thickness, etc. on PEMFC conditions such as the amount of saturated liquid water, power density, cell temperature, crossover efficiency and so on are examined. It was observed that the amount of saturated liquid water on the anode side is considerably important. This observation addresses needs for further investigation of liquid water behavior in the anode electrode. The amount of liquid water saturation in both the cathode and anode electrodes is increased with increasing the current density. The results showed that at the current density of 0.2 A/cm2, crossover effect causes about 10% reduction in cell efficiency and by decreasing the current density this effect is enhanced.