بررسي اثر آرايش توده ها بر عملكرد لايه ي كاتاليست الكترود كاتد يك پيل سوختي پليمري

Effects of Agglomerate Arrangement on the Performance of a PEMFC Cathode Catalyst Layer

امروزه پيل هاي سوختي پليمري به دليل مزايا، كاربردهاي متنوع، و تبديل مستقيم انرژي شيميايي به انرژي الكتريكي، در صنعت خودرو و ساير صنايع مي باشندمورد توجه قرار گرفته اند. با اين وجود، شبيه سازي آنها به دليل فيزيك و ريزساختار نسبتاً پيچيده آنها با دشواري هايي همراه بوده است. در مقاله ي حاضر، جريان واكنش پذير هوا در الكترود كاتد يك پيل سوختي پليمري توسط يك رويكرد چندمقياسي شبكه بولتزمن شبيه سازي گرديده است. بدين منظور، يك مدل توده اي دو بعديِ تكفازي مبتني بر روش شبكه-بولتزمن ارائه و صحت آزمايي گرديده و جهت مدلسازي لايه ي كاتاليست استفاده شده است. ميدان سرعت و توزيع گونه هاي شيميايي در ناحيه ي حفره، توزيع ميزان آب و پتانسيل الكتريكي در لايه ي نازك الكتروليت اطراف توده ها، و توزيع چگالي جريان الكتريكي در مرز غشاء و لايه ي كاتاليست براي هر دو آرايش منظم و نامنظم توده ها ارائه و تحليل گشته اند. نتايج اين پژوهش حاكي از آن است كه پارامترهاي بررسي شده به شدت از آرايش توده ها در لايه ي كاتاليست اثر مي پذيرند. همچنين نتايج مذكور حاكي از آن اند كه در شبيه سازي پيل هاي سوختي مي بايست از روش هايي كه قادر به در نظر گرفتن مايكروساختارهاي پيچيده مي باشند، نظير روش مقياس-حفره ي شبكه بولتزمن استفاده نمود. نتايج اين پژوهش مي تواند راهنمايي هاي مهمي جهت طراحي بهتر لايه كاتاليست اين گونه پيل ها در اختيار قرار دهد.

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) as efficient and advantageous power sources are currently near the stage of full commercialization in the vehicle industry. However، the simulation of their cathode electrode faces with some challenges due to the complicated physics and microstructure. In the present study، the reactive air flow in a cathode electrode of a PEMFC is simulated through a multi-scale lattice Boltzmann approach. In this regard، a two-dimensional single-phase lattice Boltzmann agglomerate model is presented and validated; then it is applied to model cathode electrode consisting of catalyst layer (CL)، gas diffusion layer (GDL) and gas flow channel. To investigate the effects of agglomerate arrangement on the CL performance، species distributions in the pore region، electrical potential distribution in the electrolyte film، and current density distribution at the interface of membrane and CL are presented and analyzed for both uniform and non-uniform agglomerate arrangements. The results establish the fact that the distribution of species، water content، electric potential and current density in the CL، i.e. the CL performance، are strongly affected by agglomerate arrangement in the CL. The results of this study can be helpful to improve catalyst layer microstructure، and subsequently its performance. Besides، the presented model can be extended to three dimensions for further investigation of CL microstructure impact.