اثر مانع در كانال جريان گاز كاتد بر انتقال واكنش‌دهنده‌ها و عملكرد پيل سوختي غشا پليمري

Effects of baffle-blocked flow cathode channel on reactant transport and cell performance of a PEMFC

در اين مطالعه، با قرار دادن يك يا چند مانع در كانال كاتد پيل سوختي غشا پليمري، تاثيرات ديناميك سيالات ناشي از وجود/ عدم وجود مانع در كانال و همچنين اثر مانع بر عملكرد پيل سوختي مورد مطالعه قرار گرفته است. بدين منظور با در نظر گرفتن يك مدل سه بعدي پيل سوختي كه بخشي از كانال كاتد مسدود شده است، معادلات پيوستگي، مومنتوم، گونه‌هاي جرمي و بقاي بار الكتريكي به‌صورت حالت‌ پايا در سيستم مختصات كارتزين با استفاده از يك دامنه كلي و روش حجم محدود حل شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه با قرار دادن يك مانع مستطيلي، در مقايسه با حالت بدون مانع، بيشترين افزايش سرعت در لايه پخش گاز (در زير مانع حدود 6 برابر سرعت) رخ داده است و گازهاي واكنش‌دهنده بيشتري مجبور به ورود به لايه پخش گاز مي‌شود كه به واكنش‌هاي شيميايي كمك مي‌كند و عملكرد پيل سوختي را بهبود مي‌بخشد. همچنين افزايش تعداد موانع بر انتقال گازهاي واكنش‌دهنده و توزيع يكنواخت‌تر گازها در لايه پخش گاز و لايه كاتاليست، به‌ويژه در دانسيته جريان‌هاي بالا، كمك مي‌كند؛ اما افت فشار در كانال كاتد را افزايش مي‌دهد. پيش‌بيني‌ها نشان مي‌دهد كه انتقال موضعي واكنش‌دهنده، توليد چگالي جريان محلي و عملكرد پيل در حضور موانع بهبود مي‌يابد

In this study, we propose a con?guration of partially blocked oxidant channel with baffle plates transversely inserted in the cathode channel and effects of the fluid dynamics due to the presence or non-presence of the baffles and their effect on the fuel cell performance is investigated. A 3D model with the presence of baffle plates is considered and a set of equations (continuity, momentum, species and charge together with electrochemical kinetics) in the form of single domain is developed and solved numerically. The baffles block the main ?ow in the cathode channel and force more reactant gases to turn to the GDL. This fact implies an enhancement of the oxygen mass ?ux at the GDL and catalyst surface, especially at the position beneath the location of the baffle plates. An increase in the number of baffles contribute to the reactant gas transport to GDL with more uniform distribution of gas in the GDL and catalyst layer, especially in high current densities, where it leads to a penalty of high pressure – loss. The predictions indicate that the local transport of the reactant gas would enhance the local current densities and the fuel cell performance in presence of baffle in the channel.