مدل‌سازی سه‌بعدی نیم‌پیل کاتدی پیل‌سوختی غشای الکترولیتی پلیمری

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پردیس انرژی و محیط زیست، پژوهشکده انرژی، گروه بهینه‌سازی انرژی، پژوهشگاه صنعت نفت

چکیده

در این مقاله، مدل سه‌بعدی پیل سوختی غشای تبادل یونی بررسی شده است. این مدل برای نیم پیل کاتدی صورت گرفته که شامل کانال گازی کاتدی از نوع موازی، لایه نفوذ گازی کاتدی و غشای پلیمری می‌باشد. پدیده‌های مورد بررسی در این مقاله، انتقال جرم در لایه‌های نفوذ گازی، واکنش الکتروشیمیایی در لایه‌های کاتالیستی و انتقال بار در پیل سوختی می‌باشد. ضمناً در هندسه این مدل، شانه نیز لحاظ گردیده که سبب می‌شود پروفایل غلظت و در نتیجه توزیع بار با دقت بیشتری بررسی شود. معادلات حاکم جهت مدل‌سازی پیل سوختی با استفاده از نرم‌افزار فملب بر پایه روش المان محدود حل شده‌اند. این مدل‌سازی قادر به پیش‌گویی رفتار پیل سوختی تحت شرایط عملیاتی مختلف می‌باشد که به واسطه تحلیل نتایج آن، عملکرد پیل سوختی در شرایط مختلف عملیاتی و با مقادیر متفاوت جریان- ولتاژ بررسی گردید و در نهایت بهترین شرایط عملیاتی و نقطه کاری مناسب، حاصل شده‌است. وجه تمایز این مدل‌سازی، بررسی عملکرد پیل سوختی غشای تبادل یونی از طریق حل عددی سه بعدی نیم پیل کاتدی با در نظر گرفتن شانه می‌باشد، در حالی‌که کاتالیست به صورت تجمعات کروی فرض شده است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Mohammad Zardoshti Zadeh Yazdi
  • Ramin Karami
  • mohammad Ayazi
Energy Technologies Research Division, Research Institute of Petroleum Industry, Tehran,
چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • PEM Fuel Cell
  • Parallel Flow Field
  • Gas Diffusion Layer
  • Shoulder
  • FEMLAB
  • Finite Element Method

[1]. Springer T. E., Zawodzinski T. A., and Gottesfeld S., “Polymer electrolyte fuel cell model. Journal of the Electrochemical Society”, 138(8): pp. 2332-4342, 1991.

[2]. Eikerling M. and Kornyshev A. A., “Modelling the performance of the cathode catalyst layer of polymer electrolyte fuel cells”, Journal of Electroanalytical Chemistry, 453(1-2): pp. 89-106, 1998.

[3]. Gurau V., Barbir F., and Liu H., “Analytical solution of a half-cell model for PEM fuel cells”, Journal of the Electrochemical Society, 147(7): pp. 2468-2477, 2000.

[4]. Devan S., Subramanian V. R., and White R. E., “Analytical solution for the impedance of a porous electrode”, Journal of the Electrochemical Society, 151(6): pp. 905-913, 2004.

[5]. Meng H. and Wang C. Y., “An analytical study of the PEM fuel cell with axial convection in the gas channel”, International Journal of Hydrogen Energy, 32(17): pp. 4477-4488, 2007.

[6]. Ju H., Meng H., and Wang C.-Y., “A single-phase, non-isothermal model for PEM fuel cells, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48(7): pp. 1303-1315, 2005.

[7]. Yin K.-M., “A thin-film/agglomerate model of a proton-exchange-membrane fuel cell cathode catalyst layer with consideration of solid-polymer-electrolyte distribution”, Journal of Applied Electrochemistry, 37(8): pp. 971-982, 2007.

8. Das P. K., Li X., and Liu Z.-S., “A three-dimensional agglomerate model for the cathode catalyst layer of PEM fuel cells”, Journal of Power Sources, 179(1): pp. 181-699, 2008.

[9]. Siegel N. P., Ellis M. W., Nelson D. J., Von Spakovsky M. R., “Single domain PEMFC model based on agglomerate catalyst geometry”, Journal of Power Sources, 115(1): p. 81-89, 2003.

[10]. Zhou T. and H. Liu, “A 3D model for PEM fuel cells operated on reformate”, Journal of Power Sources, 138(1-2): pp. 101-110, 2004.

[11]. Mishra V., F. Yang, and R. Pitchumani, Analysis and design of PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 2005. 141(1): pp. 47-64, 2004.

[12]. Serrafero A., Arato E., and Costa P., “Transport phenomena and performance limits in polymeric electrolyte membrane fuel cells”, Journal of Power Sources, 145(2): pp. 470-476, 2005.

[13]. Acosta M., Acosta M., Mertwn C., Eigenberger G., Class H., Helmig R., Thoben B., Muller-steinbergen H., “Modeling non-isothermal two-phase multicomponent flow in the cathode of PEM fuel cells”, Journal of Power Sources, 159(2): pp. 1123-1141, 2006.

[14]. Berning T. and Djilali N., “Three-dimensional computational analysis of transport phenomena in a PEM fuel cell - A parametric study. Journal of Power Sources”, 124(2): pp. 440-452, 2003.

[15]. Bird R. B., Stewart W. E., and Lightfoot E.N., Transport phenomena, 2nd ed. 2002, New York: J. Wiley. xii, 895 p.

[16]. Rismanchi B. and Akbari M. H., “Performance prediction of proton exchange membrane fuel cells using a three-dimensional model”, International Journal of Hydrogen Energy, 33(1): pp. 439-448, 2008.