مدل‌سازي سه بعدي و گذراي پيل سوختي غشا پليمري با ميدان جريان پيني

Three-dimensional and Transient Modeling of a PEM Fuel Cell with the Pin –type flow Field

در پژوهش حاضر، يك مدل سه بعدي و گذراي پيل سوختي غشا پليمري با ميدان جريان پيني بررسي شده است. با حل عددي معادلات ديفرانسيل حاكم شامل معادلات بقاي جرم، بقاي ممنتم، بقاي گونه­ ها، بقاي بار الكتريكي و بقاي انرژي همراه با معادلات واكنش­هاي الكتروشيميايي، رفتار گذراي پيل بررسي شده است. ارائه نتايج مربوط به پارامترهاي اساسي همچون چگالي جريان الكتريكي، توزيع غلظت گونه­ هاي شيميايي، توزيع سرعت و خطوط جريان در پيل با ميدان جريان پيني، درك كاملي از اصول اساسي پديده­ هاي انتقال در پيل سوختي غشاء پليمري فراهم مي­كند. نتايج نشان مي­دهد كه استفاده از ميدان جريان پيني، انتقال اكسيژن به لايه كاتاليست را بهبود مي ­بخشد و در نتيجه باعث ايجاد چگالي جريان بالا مي­شود. همچنين، مدت زمان پايداري پيل سوختي از مرتبه ثانيه است كه اين موضوع نشان دهنده كوتاه بودن فرآيند راه ­اندازي پيل سوختي غشا پليمري است. در اين مدت زمان، پارامترهاي عملكردي پيل سوختي مانند چگالي جريان، غلظت مولي واكنش­ دهنده­ ها و فشار پيل سوختي طي اين مدت زمان به پايداري مي‌رسند.

In the present study, a three-dimensional and transient model of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell with pin-type flow field is investigated. The governing equations, including the mass, momentum, species, charge and energy conservation equation along with electrochemical reactions, are numerically solved to investigate the transient behavior of the fuel cell. The results associated with the current density, chemical species and velocity distributions, along with the streamline pattern clarify the basic concept of the transport phenomena in the PEM fuel cells. The numerical results show that using the pin-type flow field, increase the oxygen transfer rate into the catalyst layer which results to an increase in the current density average value. As the transient time of the fuel cell is about few seconds, its start-up process is very quick. During this transient time, the operating parameters of the fuel cell such as current density, mole fraction of the reactants and pressure of the fuel cell reach to their steady state condition.