مدل‌سازي سه‌بعدي نيم‌پيل كاتدي پيل‌سوختي غشاي الكتروليتي پليمري

Three-dimensional Modeling of a Cathodic Half-polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

در اين مقاله، مدل سه‌بعدي پيل سوختي غشاي تبادل يوني بررسي شده است. اين مدل براي نيم پيل كاتدي صورت گرفته كه شامل كانال گازي كاتدي از نوع موازي، لايه نفوذ گازي كاتدي و غشاي پليمري مي‌باشد. پديده‌هاي مورد بررسي در اين مقاله، انتقال جرم در لايه‌هاي نفوذ گازي، واكنش الكتروشيميايي در لايه‌هاي كاتاليستي و انتقال بار در پيل سوختي مي‌باشد. ضمناً در هندسه اين مدل، شانه نيز لحاظ گرديده كه سبب مي‌شود پروفايل غلظت و در نتيجه توزيع بار با دقت بيشتري بررسي شود. معادلات حاكم جهت مدل‌سازي پيل سوختي با استفاده از نرم‌افزار فملب بر پايه روش المان محدود حل شده‌اند. اين مدل‌سازي قادر به پيش‌گويي رفتار پيل سوختي تحت شرايط عملياتي مختلف مي‌باشد كه به واسطه تحليل نتايج آن، عملكرد پيل سوختي در شرايط مختلف عملياتي و با مقادير متفاوت جريان- ولتاژ بررسي گرديد و در نهايت بهترين شرايط عملياتي و نقطه كاري مناسب، حاصل شده‌است. وجه تمايز اين مدل‌سازي، بررسي عملكرد پيل سوختي غشاي تبادل يوني از طريق حل عددي سه بعدي نيم پيل كاتدي با در نظر گرفتن شانه مي‌باشد، در حالي‌كه كاتاليست به صورت تجمعات كروي فرض شده است.

In this study, a three-dimensional model of a single fuel cell is considered. This modeling is done for a cathode half-fuel cell and consists of a parallel flow field, namely a cathode gas diffusion layer and a polymer membrane; it includes mass transfer at gas diffusion layer, electrochemical reaction at catalyst layer, and charge transfer in all the parts of fuel cell. Shoulder is considered in this model and thus concentration profile and charge distribution are more delicate. Governing equations are solved by FEMLAB software through the finite element method. This modeling could predict the behavior of fuel cell at different operation conditions by minimum cost. The performance of fuel cell is evaluated by different activation energies and, by comparing the results, the optimum operation condition is concluded.