تحليل سه‌بعدي اثر افزودن يك لايه متخلخل آب‌گريز بر اشباع آب در سمت كاتد يك پيل سوختي پليمري

Three dimensional analysis of adding a hydrophobic porous layer on water saturation at the cathode of a PEM fuel cell

در اين مقاله، به بررسي تاثير اضافه نمودن يك لايه‌ متخلخل آب‌گريز (MPL) در سمت كاتد يك پيل سوختي پليمري بر عملكرد آن پرداخته مي‌شود. براي اين منظور، شبيه‌سازي سه‌بعدي و دو‌فازي غير هم‌دما براي لايه‌هاي مختلف سمت كاتد يك پيل سوختي پليمري شامل كانال گاز، لايه‌ نفوذ گاز (GDL)، لايه‌ متخلخل نفوذ گازي آب گريز (MPL) و لايه‌ كاتاليست انجام شده است. معادلات حاكم بر جريان سيال درون پيل سوختي با استفاده از مدل چند فازي ميكسچر از طريق كد نويسي حل شده و توزيع سرعت، فشار، دما، غلظت اجزاء واكنش‌گر و ميزان اشباع آب مايع در لايه‌هاي مختلف سمت كاتد پيل بدست آمده اند. همچنين اثر تغيير خواص فيزيكي و رطوبتي MPL شامل ضخامت، تخلخل، زاويه‌ تماس و نفوذپذيري آن بر ميزان اشباع آب و نيز عملكرد پيل مورد مطالعه و ارزيابي قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه با افزودن لايه‌ اضافي MPL بين لايه‌هاي نفوذ گاز و كاتاليست به دليل تفاوت در خواص رطوبتي اين لايه‌ها يك ناپيوستگي در اشباع آب و غلظت اجزاء واكنش‌گر در سطح تماس آنها به‌وجود مي‌آيد. همچنين بر اساس نتايج بدست آمده، افزايش تخلخل MPL باعث كاهش اشباع آب مايع و در نتيجه بهبود عملكرد پيل مي‌شود، در حالي كه افزايش ضخامت آن، عملكرد پيل را كاهش مي‌دهد. به منظور صحه‌گذاري نتايج بدست آمده، منحني عملكرد حاصل از شبيه‌سازي تك‌فازي و دوفازي پيل با نتايج آزمايشگاهي مقايسه گرديده و تطابق خوبي مشاهده شده است.

In this paper, the effect of adding a hydrophobic micro porous layer (MPL) at the cathode side of a PEM fuel cell on the cell performance is investigated. For this purpose, a three dimensional two-phase nonisothermal simulation of cathode side layers of a PEM fuel cell which includes gas channel, gas diffusion layer (GDL), hydrophobic micro porous layer (MPL) and catalyst layer (CL) has been performed. The governing equations of fluid flow in the fuel cell are solved with a multiphase mixture model via developing a code and distribution of velocity, pressure, temperature, species concentration and liquid water saturation at the various layers of the cathode side of fuel cell are obtained. Furthermore, the effect of physical and wetting properties of MPL including thickness, porosity, contact angle and permeability on saturation level and performance of the fuel cell are studied. The results show that by adding an extra micro porous layer between GDL and catalyst layer because of differencing in the wetting properties of the layers, a discontinuity appears in the liquid saturation and species concentration at the contact surface of them. In addition, according to the obtained results, increasing the MPL porosity causes liquid water saturation to decrease and improves the cell performance. While increasing the MPL thickness decreases the cell performance. In order to validate the results, the performance curves calculated by single and two-phase simulations were compared with experimental results and good agreement was found between them.