بررسی تجربی و آشکارسازی انتقال آب در لایه انتشار گاز پیل سوختی غشای پلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

3 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

چکیده

در پیل سوختی غشای پلیمری در حال کارکرد، گرما و آب به‌عنوان محصول جانبی تولید می‌شود. آب تولیدشده باعث کاهش عملکرد پیل سوختی غشای پلیمری می‌شود. بنابراین، باید با اعمال روش‌هایی، آب تولیدشده را خارج و از تراوش آن در پیل سوختی غشای پلیمری جلوگیری شود. در این تحقیق با یک مدل آزمایشگاهی واقعی، با انتخاب یک‌لایه انتشار گاز شفاف به آشکارسازی ساختار انتقال آب در پیل سوختی غشای پلیمری پرداخته و حرکت و مکانیزم انگشت‌زنی در لایه انتشار گاز موردمطالعه قرارگرفته است. همچنین برای اولین بار تأثیر اضافه کردن لایه متخلخل میکرو  بر تراوش آب در لایه انتشار گاز و ساختار پدیده انگشتی بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که رژیم جریان دو فاز، انگشتی موئینگی است و نیروی ایجاد کننده انگشتی‌ها، نیروی موئینگی است. علاوه بر این مشاهده شد که جریان عرضی روی لایه کاتالیزور باعث افزایش تراوش آب و اختلال در انتقال آب در لایه انتشار گاز می‌شود و از این طریق باعث کاهش عملکرد پیل سوختی غشای پلیمری می‌شود.   

کلیدواژه‌ها


[1] Das P., Transport phenomena in cathode catalyst layer of PEM fuel cells, 2010.
[2] Khan M., Yuan J. and Sundén B., Numerical simulation of multi-scale transport processes and reactions in pem fuel cells using two-phase models, Institutionen för värme-och kraftteknik, Tekniska högskolan i Lund,2009.
[3] Fuller T. F. and Newman J., Water and thermal management in solid‐polymer‐electrolyte fuel cells, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 140, pp. 1218-1225,1993.
[4] He W., Yi J. S. and Van Nguyen T., Two‐phase flow model of the cathode of PEM fuel cells using interdigitated flow fields, AIChE Journal, vol. 46, pp.2064 -2053, 2000.
[5] Chen F., Chang M.-H. and Hsieh P.-T., Two-phase transport in the cathode gas diffusion layer of PEM fuel cell with a gradient in porosity, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, pp.2525-2529, 2008.
[6] Hao L. and Cheng P., Lattice Boltzmann simulations of water transport in gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell, Journal of Power Sources, Vol. 195, pp. 3881-3870, 2010.
[7] Sinha P. K. and Wang C.-Y., Pore-network modeling of liquid water transport in gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell, Electrochimica Acta, Vol. 52, pp.7945-7936, 2007.
[8] Liu H., Valocchi A. J., Kang Q. and Werth C., Pore-scale simulations of gas displacing liquid in a homogeneous pore network using the lattice Boltzmann method, Transport in porous media, Vol. 99, pp.580-555, 2013.
[9] Ji M. and Wei Z., A review of water management in polymer electrolyte membrane fuel cells, Energies, vol. 2, pp.1106-1057, 2009.
[10] Yang X., Zhang F., Lubawy A. and Wang C., Visualization of liquid water transport in a PEFC" Electrochemical and Solid-State Letters, Vol. 7, pp. A408-A411, 2004..
[11] Litster S., Sinton D. and Djilali N., Ex situ visualization of liquid water transport in PEM fuel cell gas diffusion layers, Journal of Power Sources, Vol. 154, pp. 95-105, 2006.
[12] Pasaogullari U. and Wang C., Liquid water transport in gas diffusion layer of polymer electrolyte fuel cells, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 151, pp. A399-A406, 2004.
[13[ Sinha P. K., Halleck P. and Wang C.-Y., Quantification of liquid water saturation in a PEM fuel cell diffusion medium using X-ray microtomography, Electrochemical and Solid-State Letters, Vol. 9, pp. A344-A348, 2006.
[14] Gao B., Steenhuis T. S., Zevi Y., Parlange J.-Y., Carter R. N. and Trabold T. A., Visualization of unstable water flow in a fuel cell gas diffusion layer, Journal of Power Sources, Vol. 190, pp.493-498, 2009.
[15] Kaviany M., Principles of Heat Transfer in Porous Media, Second Edition. ed. New York, NY: Springer New York, 1995.
[16] Lenormand R., Touboul E. and Zarcone C., Numerical models and experiments on immiscible displacements in porous media, Journal of fluid mechanics, Vol. 189, pp.165-187, 1988.
[17] Ghosh P., Associate Professor Department of Chemical Engineering IIT Guwahati, Guwahati–781039 India 2009.