مدلسازي شبكه‌اي جهت بررسي اثر كوپلينگ پديده‌هاي انتقال بر توزيع آب در لايه نفوذ گاز

Network Modeling to Investigate the Effect of Coupling the Transport Phenomena on Water Distribution in Gas Diffusion Layer

لايه نفوذ گاز سمت كاتد در پيل‌هاي سوختي غشا پليمري، آب توليد شده در واكنش را از محيط متخلخل خود به بيرون هدايت مي‌كند. اين مقاله نگاهي انتقادي به مدل‌هاي شبكه متخلخل توليد شده براي لايه نفوذ گاز مبتني بر فرض تزريق يكنواخت آب مايع از لايه كاتاليست به درون لايه نفوذ گاز دارد. اين مدل‌ها منجر به توزيع نسبتاً يكنواختي از اشباع آب مايع در راستاي درون-صفحه‌اي در لايه نفوذ گاز مي‌شوند و هيچ تفاوتي تحت كانال‌هاي جريان و تحت دنده‌ها مشاهده نمي‌گردد كه با مشاهدات آزمايشگاهي مغايرت دارد. در اين مقاله سعي شده است كه مدل شبكه‌اي جريان دوفازي موجود با ديگر پديده‌هاي انتقال در لايه نفوذ گاز و ديگر لايه‌ها كوپل شود. براي اين كار، مدل مورد نظر با مدل‌هاي شبكه‌اي انتقال اكسيژن و الكترون در كاتد و همچنين با مدل‌ واكنش الكتروشيميايي از لايه كاتاليست و مدل انتقال پروتون در غشا كوپل مي‌شود. اولين نتيجه مدل، توزيع نرخ توليد محلي آب در لايه كاتاليست و همچنين تكامل زماني نرخ كل توليد آب در لايه كاتاليست است كه يك كاهش تقريبي %50 از شروع به كار پيل تا رسيدن به حالت دايمي تجربه مي‌كند. در نتيجه كوپلينگ، توزيع اشباع آب در لايه نفوذ گاز كاملاً غيريكنواخت بوده و شاهد ماكزيمم‌هايي تحت دنده‌ها مي‌باشيم كه نتيجه مستقيم توليد غيريكنواخت آب مايع در محل‌هاي انجام واكنش است.

The cathode side gas diffusion layer in polymer electrolyte membrane fuel cells discharges out the water generated as a result of the electrochemical reaction through its porous medium. This paper criticizes the generated pore network models for gas diffusion layers assuming uniform injection of liquid water from the catalyst layer. These models lead to a roughly uniform distribution of liquid water saturation in the in-plane direction making no difference between under gas channel and under rib regions which is in contradiction with the in-situ visualizations of gas diffusion layers. It has been attempted in this paper to couple the existing two-phase flow network models to other transport phenomena in the gas diffusion layer and also in other layers. To achieve this, the mentioned model is coupled to network models of oxygen and electron transport at the cathode side and also to a model of electrochemical reaction at the catalyst layer and a proton transport model of the membrane. As the first result of modeling, the distribution of local water generation rate and also the temporal evolution of total water generation rate at catalyst layer are presented, the latter experiencing an approximate 50% reduction from start-up to steady-state. The resulting water saturation distribution is strongly non-uniform, and maximums are observed under the ribs which is a direct result of non-uniform water generation at reaction sites.