مدل‌سازي جريان دوفازي در لايه نفوذ گاز كاتد پيل سوختي پليمري

Modeling of two phase flow in the cathode of gas diffusion layer of proton exchange membrane fuel cell

در لايه نفوذ گاز كاتد پيل سوختي پليمري، علاوه بر هوا، آب هم بصورت مايع و هم بصورت گاز جريان دارد. تماس دو فاز مايع و گاز از يك سو و تبادل جرم ميان اين دوفاز از سوي ديگر، بر پارامترهاي اصلي جريان دوفازي و در نتيجه عملكرد پيل سوختي پليمري اثر مي گذارد. در اين مقاله ضمن بررسي اثر تماس دوفاز و تبادل جرم ميان آنها، نمودار پارامترهاي اصلي جريان دوفازي از جمله فشار مويينگي، ميزان اشباع، غلظت مولي گونه‌هاي گازي، سرعت مخلوط گازها، سرعت آب و غيره استخراج شده است. علاوه بر اين، تاثير تغيير رطوبت نسبي هواي ورودي به كاتد و همچنين تغيير دماي عملكرد پيل سوختي بر اين پارامترها مورد بررسي قرار گرفته است. به منظور محاسبه دقيق ميزان آب وارد شده از سمت غشا به لايه نفوذ گاز، جريان آب در غشا نيز مدل‌سازي شده است. نتايج نشان مي دهد كه كاهش رطوبت نسبي هواي ورودي به كاتد از 90 درصد به 70 درصد، سهم بخار آب در تخليه آب از لايه نفوذ گاز كاتد را تا 300 درصد افزايش مي‌دهد. علاوه بر اين به تبع اين كاهش رطوبت سرعت آب، گراديان فشار مويينگي و گراديان اشباع كاهش مي يابد. افزايش دماي عملكرد پيل سوختي نيز، افزايش نرخ تبخير، كاهش سرعت توده گاز و كاهش گراديان فشارگاز را به دنبال دارد.

There is not only air, but both gas and liquid phase of water in the cathode gas diffusion layer of polymer electrolyte fuel cell. The contact and mass transfer between these two phases influence main parameters of two phase flow in cathode gas diffusion layer and also fuelcell’s performance. In this paper through the investigating of the impact of considering the contact and mass transfer between liquid and gas phase of water, the main parameters of two phases flow such as capillary pressure, saturation, mole concentrations of gas species, gas velocity and liquid velocity is evaluated. Besides, the impact of changing the value of cathode channel humidity and fuel cell temprature on the value of the named parameters is invetigated. In order to calculating the exact amount of water which passes throgh the membrane’s boundry precisely, the water flow in the nafion membrane is modelled too. The results show that decreasing of relative humidity in the cathode channel from 90% to70%, increase the amount of outlet vapor up to 300%. Beside that, decreasment in relative humedity leads to a decrease in the liquid water velocity, capillary pressure gradient and saturation gradient in the GDL. Increasing the temperature causes an increase in the rate of water vaporization and a decrease in the gas velocity and gas pressure gradient.