بررسی اثر آرایش توده ها بر عملکرد لایه ی کاتالیست الکترود کاتد یک پیل سوختی پلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی خودرو، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

پیل‌های سوختی پلیمری به دلیل مزایای متعدد و کاربردهای متنوعشان در صنعت خودرو و ... امروزه مورد توجه اغلب محققان می-باشند. با این وجود، شبیه‌سازی آنها به دلیل فیزیک و مایکروساختار نسبتاً پیچیده‌‌ی آنها با دشواری‌هایی همراه بوده‌است. در مقاله‌ی حاضر، جریان واکنش پذیر هوا در الکترود کاتد یک پیل سوختی پلیمری توسط یک رویکرد چندمقیاسی شبکه-بولتزمن شبیه سازی گردیده است. بدین منظور، یک مدل توده‌ای دو بعدیِ تکفازی مبتنی بر روش شبکه-بولتزمن ارائه و صحت آزمایی گردیده و جهت مدلسازی لایه‌ی کاتالیست استفاده شده است.
میدان سرعت و توزیع گونه‌های شیمیایی در ناحیه‌ی حفره، توزیع میزان آب و پتانسیل الکتریکی در لایه‌ی نازک الکترولیت اطراف توده‌ها، و توزیع چگالی جریان الکتریکی در مرز غشاء و لایه‌ی کاتالیست برای هر دو آرایش منظم و نامنظم توده‌ها ارائه و تحلیل گشته-اند. نتایج این پژوهش حاکی از آن است که پارامترهای بررسی شده به شدت از آرایش توده‌ها در لایه‌ی کاتالیست اثر می‌پذیرند. همچنین نتایج مذکور حاکی از آن اند که در شبیه سازی پیل‌های سوختی می‌بایست از روش‌هایی که قادر به در نظر گرفتن مایکروساختارهای پیچیده می‌باشند، نظیر روش مقیاس-حفره‌‌ی شبکه-بولتزمن استفاده نمود. نتایج این پژوهش می‌تواند راهنمایی‌های مهمی جهت طراحی بهتر لایه کاتالیست این گونه پیل‌ها در اختیار قرار دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effects of Agglomerate Arrangement on Cathode Catalyst Layer Performance in PEM Fuel Cell

نویسندگان [English]

  • G. R. Molaeimanesh 1
  • M. H. Akbari 2
1 Department of Automotive Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) as efficient and advantageous power sources are currently near the stage of full commercialization in the vehicle industry. However, the simulation of their cathode electrode faces with some challenges due to the complicated physics and microstructure. In the present study, the reactive air flow in a cathode electrode of a PEMFC is simulated through a multi-scale lattice Boltzmann approach. In this regard, a two-dimensional single-phase lattice Boltzmann agglomerate model is presented and validated; then it is applied to model cathode electrode consisting of catalyst layer (CL), gas diffusion layer (GDL) and gas flow channel. To investigate the effects of agglomerate arrangement on the CL performance, species distributions in the pore region, electrical potential distribution in the electrolyte film, and current density distribution at the interface of membrane and CL are presented and analyzed for both uniform and non-uniform agglomerate arrangements. The results establish the fact that the distribution of species, water content, electric potential and current density in the CL, i.e. the CL performance, are strongly affected by agglomerate arrangement in the CL. The results of this study can be helpful to improve catalyst layer microstructure, and subsequently its performance. Besides, the presented model can be extended to three dimensions for further investigation of CL microstructure impact.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC)
  • lattice Boltzmann method (LBM)
  • agglomerate model
  • catalyst layer (CL)
  • agglomerate arrangement

مراجع

[1] In collection: Li, X., “Green Energy for Sustainability and Energy Security”. In “Green Energy, Basic Concepts and Fundamentals”, Li, X., ed., Springer, London, pp.1-16, 2011.
[2] Larminie, J., and A. Dicks, “Fuel cell systems explained”,John Wiley & Sons, Chichester, 2003.
[3] Wang, Y., K. S. Chen, J. Mishler, S. C. Cho, and X. C.Adroher, “A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research”, Applied Energy, 88 (2011): 981–1007.
[4] Harvey, D., J. G. Pharoah, and K. Karan, “A comparison of different approaches to modelling the PEMFC catalyst layer”, Journal of Power Sources, 179 (2008): 209–219.
[5] Sun, W., B. A. Peppley and K. Karan, “An improved two-dimensional agglomerate cathode model to study the influence of catalyst layer structural parameters”,Electrochimical Acta, 50 (2008): 3359–3374.
[6] Das, P.K., X. Li, Z. S. Liu, “A three-dimensional agglomerate model for the cathode catalyst layer of PEM fuel cells”, Journal of Power Sources, 179 (2008):186–199.
[7] Shah, A. A., G. S. Kim, W. Gervais, A. Young, K. Promislow, J. Li and S. Ye, “The effects of water and microstructure on the performance of polymer electrolyte fuel cells”, Journal of Power Sources, 160 (2006): 1251–1268.
[8] Siegel, N. P., M. W. Ellis, D. J. Nelson, von M. R.Spakovsky, “Single domain PEMFC model based on agglomerate catalyst geometry”, Journal of Power Sources, 115 (2003): 81–89.
[9] Rao, R. M., D. Bhattacharyya, R. Rengaswamy, S. R.Choudhury, “A two-dimensional steady state model including the effect of liquid water for a PEM fuel cell cathode”, Journal of Power Sources, 173 (2007): 375–393.
[10] Srinivasarao, M., D. Bhattacharyya, R. Rengaswamy and S. Narasimhan, “Performance analysis of a PEM fuel cell cathode with multiple catalyst layers”, International Journal of Hydrogen Energy, 35 (2010): 6356-6365.
[11] Sahraoui, M., C. Kharrat, K. Halouani, “Twodimensional modeling of electrochemical and transport phenomena in the porous structures of a PEMFC”,International Journal of Hydrogen Energy, 34 (2009):3091–3103.
[12] Khan, M. A., B. Sundén and J. Yuan, “Analysis of multi-phase transport phenomena with catalyst reactions in polymer electrolyte membrane fuel cells – A review”,Journal of Power Sources, 196 (2011): 7899– 7916.
[13] Bhatnagar, P. L., E. P. Gross and M. Krook, “A model for collision processes in gases, I. small amplitude processes in charged and neutral one-component systems”, Phys Rev, 94 (1954): 511–525.
[14] Mohamad, AA., “Lattice Boltzmann method, Fundamentals and engineering applications with computer codes”, 1st ed., Heidelberg, Springer, 2011.
[15] Succi, S., “The lattice Boltzmann equation for fluid dynamics and beyond numerical mathematics and scientific computation”, 1st ed., Oxford, Clarendon Press, 2001.
[16] Sukop, M.C. and D.T. Thorne, “Lattice Boltzmann modeling, An introduction for geoscientists and engineers”, 1st ed., Heidelberg, Springer, 2007.
[17] Gunstensen, A. K., D. H. Rothman, S. Zaleski, G.Zanetti, “Lattice Boltzmann model of immiscible fluids”,Phys Rev A, 43 (1991): 4320-4327.
[18] Shan, X. and H. Chen, “Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components”,Phys Rev E, 47 (1993): 1815-1820.
[19] Swift, M. R., W. R. Osborn and J. M. Yeomans, “Lattice Boltzmann simulation of nonideal fluids”, Phys Rev Lett 75 (1995): 830-833.
[20] Mench, M. M., “Fuel Cell Engines”, John Wiley & Sons, Inc, New Jersey, 2008.
[21] Incropera, F. P., D. P. DeWitt, T. L. Bergman and A. S.Lavine, “Fundumentals of Heat and Mass Trandfer”,John Wiley and Sons, New Jersey, 2007.
[22] Parthasarathy, S. A., S. Srinivasan, A. J. Appleby and C. R. Martin, “Temperature dependence of the electrode kinetics of oxygen reduction at the platinum/Nafion®interface—A microelectrode investigation”, Journal of Electrochemical Society, 139 (1992): 2530–2537.
[23] Satterfield, M. B., P. W. Majsztrik, H. Ota, J. B. Benziger and A. B. Bocarsly, “Mechanical properties of Nafion and titania/Nafion composite membranes for polymer electrolyte membrane fuel cells”, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 44 (2006): 2327–2345.
[24] Parthasarathy, A., S. Srinivasan, A. J. Appleby and C. R. Martin, “Pressure dependence of the oxygen reduction reaction at the Platinum microelectrode/Nafion interface”, Journal of the Electrochemical Society, 139(1992): 2856-2862.
[25] Kulikovsky, A. A., “Two-dimensional numerical modelling of a direct methanol fuel cell”, Journal of Applied Electrochemistry, 30 (2000): 1005-1014.
[26] Li, G. and P. G. Pickup, “Ionic conductivity of PEMFC electrodes: effect of Nafion loading”, Journal of the Electrochemical Society, 150 (2003): C745-C752.
[27] Lee, S.J., S. Mukerjee, J. McBreen, Y. T. Rho and T. H.Lee, “Effects of Nafion impregnation on performances of PEMFC electrodes”, Electrochimica Acta, 43 (1998):3693-3701.
[28] Montupally, S., A. J. Becker and J. M. Weidner,“Diffusion of water in Nafion 115 membranes”, Journal of the Electrochemical Society, 147 (2000): 3171–3177.
[29] Springer, T. E., T. A. Zawodzinski and S. Gottesfeld, “Polymer electrolyte fuel cell model”, Journal of the Electrochemical Society, 138 (1991): 2334-2342.
[30] Burden, R. L. and J. D. Faires, “Numerical Analysis”,CENGAGE Learning, Boston, 2010.
[31] Zawodzinski, Jr., T.A., M. Neeman, L. O. Sillerud and S.Gottesfeld, “Determination of water diffusion coefficients in perfluorosulfonate ionomeric membranes”, Journal of Physical Chemistry, 95 (1991): 6040–6044.
[32] Davis, M. E. and R. J. Davis, “Fundamentals of Chemical Reaction Engineering”, McGraw-Hill, Inc, Boston, 2003.
[33] Kamali, M. R., S. Sundaresan, H. E. A. Van den Akker and J. J. J. Gillissen, “A multi-component two-phase lattice Boltzmann method applied to a 1-D Fischer–Tropsch reactor”, Chemical Engineering Journal, 207–208 (2012): 587–595.
[34] Molaeimanesh, G. R. and M. H. Akbari, “A threedimensional pore-scale model of the cathode electrode in polymer-electrolyte membrane fuel cell by lattice Boltzmann method”, J Power Sources, 258 (2014): 89–97.
[35] Zou, Q. and X. He, “On pressure and velocity boundary conditions for the lattice Boltzmann BGK model”, Physics of Fluids, 9 (1997): 1591–1598.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 49، شماره 1
اردیبهشت 1396
صفحه 203-218

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار