Modares Mechanical Engineering
مهندسی مکانیک مدرس
Modares Mechanical Engineering
Engineering & Technology
http://mme.modares.ac.ir
1
admin
1027-5940
2476-6909
10.22034/mme
fa
jalali
1395
12
1
gregorian
2017
3
1
17
2
online
1
fulltext
fa
مدلسازی میکروسکوپی لایهی کاتالیزور کاتدی پیل سوختی غشایی بهمنظور بررسی عامل پیچ و خم و ضریب نفوذ مؤثر
Pore Scale Modelling of Cathode Catalyst Layer of PEM Fuel Cell to Investigate the Tortuosity and Effective Diffusivity
با توجه به اهمیت تأثیر شکل ساختاری و میزان حد اشباع لایهی کاتالیزور کاتدی بر عملکرد پیل سوختی غشایی یک مدل میکروسکوپی بهمنظور شبیهسازی فرایندهای انتقال در این لایه ارائه میگردد. براساس این مدل، عامل پیچ و خم و ضریب نفوذ مؤثر لایهی کاتالیزور با ضرایب تخلخل و حد اشباعهای متفاوت بهدست آمد. نحوهی توزیع آب از حل معادلات جریان دوفازی با استفاده از روش حجم سیال حاصل گردید. در این تحقیق، ساختار لایهی کاتالیزور با بهرهگیری از فرض وجود آگلومرههای کربنی به-صورت دایره و کرههای هماندازه بهترتیب در محیطهای دوبعدی و سهبعدی ایجاد گردید. برای قرارگیری آگلومرهها در سیستم از یک الگوریتم ترتیبی استفاده شد. مقایسه-ای بین نتایج بهدست آمده از میدان حل دوبعدی و سهبعدی انجام گردید. بهعلت عامل پیچ و خم بیشتر محیط دوبعدی از محیط سهبعدی، مقدار کمتری برای ضریب نفوذ مؤثر محیط دوبعدی بهدست آمد. با این حال، ملاحظه گردید که منحنی تغییرات نتایج بر حسب ضریب تخلخل تقریباً یکسان است. ضریب نفوذ مؤثر لایهی کاتالیزور با ضرایب تخلخل و حد اشباعهای مختلف بهدست آمد. با توجه به نتایج، افزایش حد اشباع باعث کاهش ضریب نفوذ مؤثر میشود که این امر به علت بسته شدن مسیرهای عبور گاز توسط آب موجود در سیستم است. همچنین، کاهش ضریب تخلخل باعث کاهش ضریب نفوذ مؤثر لایهی کاتالیزور میگردد که این امر بهعلت افزایش عامل پیچ و خم است. کاهش ضریب نفوذ مؤثر اکسیژن در لایهی کاتالیزور کاتدی باعث کاهش غلظت اکسیژن موجود در محل واکنش الکتروشیمیایی و در نتیجه موجب افت کارایی پیل سوختی غشایی میگردد.
According to the significant effect of the structure and saturation of cathode catalyst layer (CCL) on the operation of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), a pore scale model is presented to simulate the transport processes in CCL. Using this model, the tortuosity and macroscopic effective diffusivity of CCL with different porosities and saturation levels were obtained. The water distribution was obtained by solving two-phase flow equations using volume of fluid (VOF) method. The structure of CCL was reconstructed by assuming agglomerates as equally-sized circles and spheres in two-and three-dimensional domains, respectively. A sequential algorithm was used to determine the location of agglomerates in the computational domain with specific overlap. A comparison was made between the results obtained for three- and two-dimensional domains which showed 2D assumption results in an overestimating on effective diffusivity. However, the variation trend of effective diffusivity versus porosity was about the same. According to the results, due to the blocking effect of water presence in CCL, the increase of saturation causes less available pathways for gas to diffuse. Therefore, the effective diffusivity decreases by the increase of saturation level. Moreover, the decrease of porosity leads to the increase of tortuosity which results in lower pathways for gas to diffuse into the domain and hence less effective diffusivity was obtained. The decrease of oxygen effective diffusivity of CCL causes a lack of oxygen concentration at the electrochemical reaction sites and leads to the decrease of the PEMFC performance.
مدلسازی میکروسکوپی,لایهی کاتالیزور کاتدی,جریان دوفازی,پیل سوختی غشایی,ضریب نفوذ مؤثر
Pore scale modelling,cathode catalyst layer,two-phase flow,PEM fuel cell,Effective diffusivity
10
18
http://mme.modares.ac.ir/browse.php?a_code=A-15-10710-1&slc_lang=fa&sid=15
Hossein
Fathi
حسین
فتحی
100319475328460067783
100319475328460067783
No
PhD candidate
دانشجوی دکترا
seyed Hossein
Mansouri
سید حسین
منصوری
100319475328460067782
100319475328460067782
Yes
عضو هیئت علمی
Amir
Raoof
امیر
رئوف
100319475328460067781
100319475328460067781
No
Faculty staff
عضور هیئت علمی