بررسي انتقال اكسيژن و افت فشار در الكترود كاتد پيل سوختي غشا پليمري با مسدود سازي كانال جريان

Analysis of oxygen transport and pressure drop in a PEM fuel cell cathode with partially blocked flow channel

در اين مطالعه با قرار دادن يك يا چند مانع مسدود كننده در كانال كاتد پيل سوختي غشا پليمري، تاثير شكل صفحه مسدود كننده (مستطيلي، مثلثي، ذوزنقه اي و خميده)، ضخامت و ارتفاع صفحه، تعداد صفحات و ضريب تخلخل لايه پخش گاز بر انتقال اكسيژن به داخل لايه پخش گاز و لايه كاتاليست و همچنين افت فشار سمت كاتد بررسي شده است. بدين منظور، معادلات پيوستگي، ممنتم و بقاي اجزاي شيميايي در سمت كاتد پيل به صورت مدل تك ناحيه اي تدوين و به روش عددي حل شده اند. نتايج نشان مي دهد كه با قرار دادن يك مانع مستطيلي بزرگ، بيشترين افزايش سرعت در لايه پخش گاز (در زير مانع حدود 13 برابر سرعت در مقايسه با حالت بدون مانع) و در نتيجه بيشترين غلظت اكسيژن در فصل مشترك لايه پخش گاز/لايه كاتاليست با وجود بيشترين افت فشار (حدود 3/1 برابر افت فشار كانال بدون مانع)، اتفاق مي افتد. با افزايش تخلخل لايه پخش گاز، افزايش تعداد صفحات تيغه اي و ضخامت آنها و كاهش فاصله بين مانع و لايه پخش گاز، غلظت اكسيژن در اين لايه افزايش مي يابد؛ هر چند كه حساسيت تغييرات غلظت به اين پارامترها متفاوت است. بيشترين حساسيت به تخلخل لايه پخش گاز، تعداد صفحات و كاهش فاصله بين مانع و لايه پخش گاز است و كمترين حساسيت به افزايش ضخامت صفحه مسدود كننده مي باشد.

In this study, the geometrical changes at cathode electrode in proton exchange membrane (PEM) fuel cell has been considered by inserting baffle plates across the channel. The effects of the blockage with various gap ratios, shape, thickness and numbers of the baffle plates, and the porosity of the diffusion layer on the oxygen transport and the pressure drop across the channel length are explored. It is revealed that partially blocked oxygen channel with rectangular baffle has the most velocity and oxygen concentration in the gas diffusion layer/catalyst layer interface than that of the other shape of plates; however results in a penalty of high pressure-loss. Increasing the porosity of gas diffusion layer (GDL), baffle plate thickness and baffle number and/or reducing the gap size in order to enhance the reactant gas transport result in pressure loss. Here, among the parameters considered, the porosity of GDL, gap ratio and plate number have the most remarkable impact on the oxygen transport to GDL and variation in pressure drop.