مدل‌سازي ميكروسكوپي لايه‌ي كاتاليزور كاتدي پيل سوختي غشايي به‌ منظور بررسي عامل پيچ و خم و ضريب نفوذ مؤثر

Pore Scale Modelling of Cathode Catalyst Layer of PEM Fuel Cell to Investigate the Tortuosity and Effective Diffusivity

با توجه به اهميت تأثير شكل ساختاري و ميزان حد اشباع لايه‌ي كاتاليزور كاتدي بر عملكرد پيل سوختي غشايي يك مدل ميكروسكوپي به‌منظور شبيه‌سازي فرايندهاي انتقال در اين لايه ارائه مي‌گردد. براساس اين مدل، عامل پيچ و خم و ضريب نفوذ مؤثر لايه‌ي كاتاليزور با ضرايب تخلخل و حد اشباع‌هاي متفاوت به‌دست آمد. نحوه‌ي توزيع آب از حل معادلات جريان دوفازي با استفاده از روش حجم سيال حاصل گرديد. در اين تحقيق، ساختار لايه‌ي كاتاليزور با بهره‌گيري از فرض وجود آگلومره‌هاي كربني به-صورت دايره‌ و كره‌هاي هم‌اندازه به‌ترتيب در محيط‌هاي دوبعدي و سه‌بعدي ايجاد گرديد. براي قرارگيري آگلومره‌ها در سيستم از يك الگوريتم ترتيبي استفاده شد. مقايسه-اي بين نتايج به‌دست آمده از ميدان حل دوبعدي و سه‌بعدي انجام گرديد. به‌علت عامل پيچ و خم بيشتر محيط دوبعدي از محيط سه‌بعدي، مقدار كمتري براي ضريب نفوذ مؤثر محيط دوبعدي به‌دست آمد. با اين حال، ملاحظه گرديد كه منحني تغييرات نتايج بر حسب ضريب تخلخل تقريباً يكسان است. ضريب نفوذ مؤثر لايه‌ي كاتاليزور با ضرايب تخلخل و حد اشباع‌هاي مختلف به‌دست آمد. با توجه به نتايج، افزايش حد اشباع باعث كاهش ضريب نفوذ مؤثر مي‌شود كه اين امر به علت بسته شدن مسيرهاي عبور گاز توسط آب موجود در سيستم است. همچنين، كاهش ضريب تخلخل باعث كاهش ضريب نفوذ مؤثر لايه‌ي كاتاليزور مي‌گردد كه اين امر به‌علت افزايش عامل پيچ و خم است. كاهش ضريب نفوذ مؤثر اكسيژن در لايه‌ي كاتاليزور كاتدي باعث كاهش غلظت اكسيژن موجود در محل واكنش الكتروشيميايي و در نتيجه موجب افت كارايي پيل سوختي غشايي مي‌گردد.

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.