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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

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

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • H. Khaleghi
  • K. Mohammadzadeh
Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Water management in a proton exchange membrane fuel cell is numerically modeled by considering the 2D, non-isothermal steady flow assumptions. Governing equations are solved in all cell layers including cathode and anode electrodes by finite volume method using a single-region approach. The effect of gas cross-over 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, cross-over 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, cross-over effect causes about 10% reduction in cell efficiency and by decreasing the current density this effect is enhanced.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Numerical investigation
  • Proton exchange membrane fuel cell
  • Water Management at anode
  • Gas cross-over through membrane

مراجع

[1] J. Larminie, A. Dicks, Fuel cell systems explained, 2003.
[2] T.E. Springer, T. Zawodzinski, S. Gottesfeld, Polymer electrolyte fuel cell model, Journal of the electrochemical society, 138(8) (1991) 2334-2342.
[3] D.M. Bernardi, M.W. Verbrugge, A mathematical model of the solid-polymer-electrolyte fuel cell, Journal of the Electrochemical Society, 139(9) (1992) 2477-2491.
[4] V. Gurau, H. Liu, S. Kakac, Two-dimensional model for proton exchange membrane fuel cells, AIChE Journal, 44(11) (1998) 2410-2422.
[5] C. Marr, X. Li, Composition and performance modelling of catalyst layer in a proton exchange membrane fuel cell, Journal of Power Sources, 77(1) (1999) 17-27.
[6] S. Um, C.Y. Wang, K. Chen, Computational fluid dynamics modeling of proton exchange membrane fuel cells, Journal of the Electrochemical society, 147(12) (2000) 4485-4493.
[7] D. Natarajan, T. Van Nguyen, A two-dimensional, twophase, multicomponent, transient model for the cathode of a proton exchange membrane fuel cell using conventional gas distributors, Journal of the Electrochemical Society, 148(12) (2001) A1324-A1335.
[8] N. Siegel, M. Ellis, D. Nelson, M. Von Spakovsky, Single domain PEMFC model based on agglomerate catalyst geometry, Journal of Power Sources, 115(1) (2003) 81- 89.
[9] M. Seddiq, H. Khaleghi, M. Mirzaei, Numerical analysis of gas cross-over through the membrane in a proton exchange membrane fuel cell, Journal of power sources, 161(1) (2006) 371-379.
[10] M. Seddiq, H. Khaleghi, M. Mirzaei, Parametric study of operation and performance of a PEM fuel cell using numerical method, Iran. J. Chem. Chem. Eng, 27(2) (2008).
[11] N. Djilali, Computational modelling of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells: challenges and opportunities, Energy, 32(4) (2007) 269-280.
[12] C. Siegel, Review of computational heat and mass transfer modeling in polymer-electrolyte-membrane (PEM) fuel cells, Energy, 33(9) (2008) 1331-1352.
[13] R. Anderson, L. Zhang, Y. Ding, M. Blanco, X. Bi, D.P. Wilkinson, A critical review of two-phase flow in gas flow channels of proton exchange membrane fuel cells, Journal of Power Sources, 195(15) (2010) 4531-4553.
[14] G.-H. Song, H. Meng, Numerical modeling and simulation of PEM fuel cells: Progress and perspective, Acta Mechanica Sinica, 29(3) (2013) 318-334.
[15] A.Z. Weber, R.L. Borup, R.M. Darling, P.K. Das, T.J. Dursch, W. Gu, D. Harvey, A. Kusoglu, S. Litster, M.M. Mench, A critical review of modeling transport phenomena in polymer-electrolyte fuel cells, Journal of The Electrochemical Society, 161(12) (2014) F1254-F1299.
[16] R.B. Ferreira, D. Falcão, V. Oliveira, A. Pinto, Numerical simulations of two-phase flow in proton exchange membrane fuel cells using the volume of fluid method–A review, Journal of Power Sources, 277 (2015) 329-342.
[17] S. Ge, C.-Y. Wang, Liquid water formation and transport in the PEFC anode, Journal of the Electrochemical Society, 154(10) (2007) B998-B1005.
[18] J.M. Sergi, S.G. Kandlikar, Quantification and characterization of water coverage in PEMFC gas channels using simultaneous anode and cathode visualization and image processing, International Journal of Hydrogen Energy, 36(19) (2011) 12381-12392.
[19] D. Lee, J. Bae, Visualization of flooding in a single cell and stacks by using a newly-designed transparent PEMFC, International Journal of Hydrogen Energy, 37(1) (2012) 422-435.
[20] R.B. Ferreira, D. Falcão, V. Oliveira, A. Pinto, Numerical simulations of two-phase flow in an anode gas channel of a proton exchange membrane fuel cell, Energy, 82 (2015) 619-628.
[21] L. Xing, S. Du, R. Chen, M. Mamlouk, K. Scott, Anode partial flooding modelling of proton exchange membrane fuel cells: model development and validation, Energy, 96 (2016) 80-95.
[22] L. Xing, Q. Cai, C. Xu, C. Liu, K. Scott, Y. Yan, Numerical study of the effect of relative humidity and stoichiometric flow ratio on PEM (proton exchange membrane) fuel cell performance with various channel lengths: An anode partial flooding modelling, Energy, 106 (2016) 631-645.
[23] N. Siegel, M. Ellis, D. Nelson, M. Von Spakovsky, A two-dimensional computational model of a PEMFC with liquid water transport, Journal of Power Sources, 128(2) (2004) 173-184.
[24] H. Meng, A two-phase non-isothermal mixed-domain PEM fuel cell model and its application to twodimensional simulations, Journal of Power Sources, 168(1) (2007) 218-228.
[25] N.P. Siegel, Development and validation of a computational model for a proton exchange membrane fuel cell, PHD Dissertation in Mechanical Eng., Virginia Polytechnic and State, 2003.
[26] M. Hu, A. Gu, M. Wang, X. Zhu, L. Yu, Three dimensional, two phase flow mathematical model for PEM fuel cell: Part I. Model development, Energy Conversion and Management, 45(11-12) (2004) 1861- 1882.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 51، شماره 2
خرداد و تیر 1398
صفحه 227-248

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار