مدل سازي جريان دوفازي و غير هم دما در پيل سوختي پليمري

Modeling of two phase and non - isothermal flow in polymer electrolyte fuel cell

در مقاله حاضر، جريان دوفازي و غير هم دما در لايه نفوذي گاز كاتد پيل سوختي پليمري مدل سازي شده است. جهت استفاده از شرايط مرزي دقيق ، علاوه بر مدل سازي لايه نفوذي گاز كاتد، ديگر اجزاي پيل سوختي (غشا و لايه نفوذي گاز آند) نيز مدل سازي شده اند. معادلات حاكم شامل معادلات بقاي جرم، بقاي مومنتم و بقاي انرژي و ديگر معادلات كمكي است كه توسط روش هاي عددي حل شده است. همچنين اثر فشار و رطوبت نسبي، اثر تماس و تبادل جرم بين دوفاز روي عملكرد پيل سوختي بررسي شده است. نتايج نشان مي دهند كه جهت مدل سازي دقيق جريان دوفازي، لازم است هر دو اثر تماس و تبادل جرم بين دو فاز در نظر گرفته شود. به ازاي رطوبت هاي مختلف كانال كاتد، منحني عملكرد و منحني توزيع دما در طول پيل سوختي در دو حالت دوفازي و تك فاز مقايسه شده اند، مقدار نسبي اين دو براي دو جريان وابسته به مقدار رطوبت كانال كاتد است. با افزايش فشار گاز در كانال كاتد از 5/0 به 5 اتمسفر، محتواي آب در مرز غشا و لايه نفوذي گاز كاتد در حدود 20% افزايش يافته و به تبع آن افت اهمي كاهش مي يابد. با اين كاهش افت اهمي درجه حرارت در طول پيل سوختي كاهش مي يابد. ولي بر عكس با افزايش فشار گاز در كانال آند، درجه حرارت در طول پيل سوختي افزايش مي يابد.

In this paper, a non - isothermal and two-phase flow in the cathode gas diffusion layer (GDL) of PEM fuel cell is modeled. To achieve more accurate boundary conditions, other components of fuel cell (membrane and anode GDL) are modeled. Governing equations including energy, mass and momentum conservation and auxiliary equations are solved by numerical method and the effect of gas mixture pressure in channels, relative humidity and effect of contact and mass exchange between two phases are investigated. Results show, it is necessary that both the contact and mass exchange between the gas and liquid phase to be considered. The performance curve and temperature distribution for single and two phase flow are compared for different amount of cathode channel humidity. The relative value of performance and temperature for single and two phase flow depends on the humidity of cathode channel. With increasing the cathode pressure from 0.5 to 5atm the value of water content in membrane and gas diffusion interface will increase about 20%. With increasing the water content in the membrane therefore the ohmic loss is reduced. With the reduction in the ohmic loss the temperature distribution along the fuel cell decreases but if the anode pressure increases the temperature distribution along the fuel cell increases.