ارزيابي مشخصه هاي لايه نفوذ گاز كاتد بر انتقال آب در پيل سوختي پليمري با استفاده از روش شبكه بولتزمن

Investigation of porosity parameters variation on liquid water transport in gas diffusion layers of polymer electrolyte membrane fuel cells using the lattice Boltzmann method

پيل هاي سوختي پليمري به دليل دمايكار پايين، چگالي انرژي بالا در آيندهاي نزديك به طور چشمگير مورد استفاده قرار مي گيرند. مديريت آب يكي از چالش هاي اصلي جهت توسعه و تجاري سازي پيل هاي سوختي پليمري است، كه تاثير قابل ملاحظه اي بر عملكرد آنها دارد. از اين رو درك چگونگي رفتار آب در پيل سوختي بسيار با اهميت است . در اين مقاله رفتار آب مايع در داخل لايه نفوذي گاز كاتد پيل سوختي پليمري در مقياس حفره مورد بررسي قرار گرفته است. محيط متخلخل مورد نظر (لايه نفوذي گاز كاتد) توسط دوايري با قطرهاي مختلف و بصورت تصادفي ساخته شده است. از روش لتيس بولتزمن، مدل شبه پتانسيل شان و چن جهت شبيه سازي جريان دوفازي استفاده شده است. كد نوشته شده در سه حالت اعتبار سنجي شده و پس از آن تاثير سه پارامتر اندازه منفذها، ضريب تخلخل و آبگريزي لايه نفوذي گاز بر انتقال آب مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج اين شبيه سازي نشان ميدهند كه اولا با گذشت زمان مقدار اشباع در لايه نفوذي گاز افزايش يافته و نهايتا به مقدار ثابتي ميرسد. ثانيا با كاهش قطر منفذها، مقدار اشباع و تعداد ميانگذرهاي انتقال آب كاهش يافته شده و اين باعث افزايش نفوذ اكسيژن مي شود. از طرفي مقدار اشباع محلي در فصل مشترك كاتاليست و لايه نفوذي گاز بسمت يك ميل ميكند اين نشان دهنده اين است كه در اين نواحي مولكول هاي اكسيژن بايستي در آب حل شده و سپس به كاتاليست برسند. همچنين مقدار آب مايع در داخل لايه متخلخل با افزايش آبگريزي كاهش مي يابد.

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs) has been widely used in recent decades due to operating at low temperature with high energy density. Water management is one of the main challenges for the development and commercialization of PEMFCs, which has a significant impact on their performance. The behavior of liquid water in the PEMFCs is very important. In this study a pore scale model is used to investigate liquid water transport in the gas diffusion layer (GDL) of PEMFCs. The GDL layer generated by randomly placing circular solid particles. The pseudo-potential lattice Boltzmann (LB) proposed by shan and chen is used to simulate two phase flow. The code was validated in three modes and is verified correctly then, the effect of three pore size particles, porosity coefficient and hydrophobicity of the GDL on the water transfer has been investigated. The results show that, over time, the amount of saturation in the GDL increases and ultimately reaches a constant value. In addition to by reducing the diameter of the particles, the amount of saturation and the number of breakthrough sites decreased, which increases the oxygen penetration.Also, the amount of local water saturation in the catalyst layer (CL) interface and the GDL tends toward one, indicating that oxygen molecules in these regions should be dissolved in water and then fed to the CL. In addition to, the amount of liquid water inside the porous layer decreases with increasing hydrophobicity