بررسی رفتار انتقال آب در پیل سوختی غشا پلیمری

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

چکیده

در این مطالعه، یک مدل دو بعدی و دو فازی پیل سوختی غشا پلیمری به منظور بررسی رفتار انتقال و تغییر فاز آب توسعه داده شده و روش­های مختلف انتقال آب شامل پخش، جابجایی و درگ الکترو - اسمزیک در داخل غشا و تغییر فاز آب در لایه پخش گاز کاتد ارزیابی و تحلیل شده است. بدین منظور، معادلات پیوستگی، ممنتم، بقا اجزا و شارژ به همراه روابط سینتیک الکتروشیمیایی در نواحی مختلف پیل سوختی به صورت کوپل، با یک مدل تک ناحیه­ای و به روش عددی حل شده­اند و تاثیر انتقال و تغییر فاز آب بر عملکرد پیل سوختی بررسی شده است. نتایج نشان می­دهد رژیم­های مختلف انتقال آب بر افت­های داخلی پیل، شناوری کاتد و شرایط تعادل آب در پیل تاثیر می­گذارد و می­توان با استفاده از پارامتر کلیدی درصد رطوبت گازهای ورودی، تغییر فاز آب و شناوری را در پیل سوختی غشا پلیمری مدیریت کرد.

کلیدواژه‌ها


[1] Afshari, E., and Jazayeri, S.A., “Analysis of Heat Transport in a Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell”, Am. Journal of Applied Science, Vol. 6, No. 1, pp. 101-108, (2009).
 
[2] Ju, H., Wang, C.Y., Cleghorn, S., and Beuscher, U., “Nonisothermal Modeling of Polymer Electrolyte Fuel Cells I. Experimental Validation”, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 152, No. 8, pp. A1645-A1653, (2006).
 
[3] Ju, H., Wang, C.Y., Cleghorn, S., and Beuscher, U., “Nonisothermal Modeling of Polymer Electrolyte Fuel Cells, II. Parametric Study of Low-Humidity Operation”, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 153,No. 2, pp. A249-A254, (2006).
 
[4] Sui, P. C., and Djilali, N., “Analysis of Water Transport in Proton Exchange Membranes using a Phenomenological Model”, Journal Fuel Cell Science and Technology, Vol. 2, pp. 1-7, (2005).
 
[5] Berning, T., and Djilali, N., “Three-dimensional Computational Analysis of Transport Phenomena in a PEM Fuel Cell- a Parametric Study”, Journal of  Power Sources, Vol. 124, pp. 440–452, (2003).
 
[6] Sivertsena, B.R., and Djilali, N., “CFD-Based Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells”, Journal of Power Sources, Vol. 141, pp. 65–78, (2005).
 
[7] Rowe, A., and Li, X., “Mathematical Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells”, Journal of Power Sources, Vol. 102, pp. 82–96, (2001).
 
[8] Mishra, V., Yang, F., and Pitchumani, R., “Analysis and Design of PEM Fuel Cells”, Journal of Power Sources, Vol. 141, pp. 47–64, (2005).
 
[9] Nam, J. H., and Kaviany, M., “Effective Diffusivity and Water-saturation Distribution in Single- and Two-layer PEMFC Diffusion Medium”, International Journal of Heat Mass Transfer, Vol. 46, pp. 4595-4607, (2003).
 
[10] Hwang, J. J., “A Complete Two-Phase Model of a Porous Cathode of a PEM Fuel Cell”, Journal of Power Sources, Vol. 164, pp. 174–181, (2007).
 
[11] Pasaogullari, U., Mukherjee, P.P., Wang, C.Y., and Chen, K.S.,“Anisotropic Heat and Water Transport in a PEFC Cathode Gas Diffusion Layer”, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 154, No. 8, pp. B823-B834, (2007).
 
[12] Pasaogullari, U., and Wang, C.Y., “Two-phase Modeling and Flooding Prediction of Polymer Electrolyte Fuel Cells”, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 152, No.2, pp. A380–A390, (2005).
 
[13] Wang, Y., and Wang, C.Y., “A Nonisothermal Two-Phase Model for Polymer Electrolyte Fuel Cells”, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 153, No. 6, pp. A1193-A1200, (2006).
 
[14] Wang, C.Y., and Cheng, P., “Multiphase Flow and Heat Transfer in Porous Media”, Int. Journal of Heat Mass Transfer, Vol. 39, pp. 3607-3618, (1996).
 
[15] Patankar, S. V., “Numerical Heat Transfer and Fluid Flow”, McGraw Hill, (1980).
 
[16] Buchi, F.N., and Srinivasan, S.,”Operating Proton Exchange Membrane Fuell Cells without Exernal Humidification of the Reactant Gases”, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 144, pp. 2767–2773, (1997).