نمونه های مدل سازی پیل سوختی PEM

سلول های سوختی غشای الکترولیت پلیمری یا غشای تبادل پروتون (PEM) یک منبع بالقوه تمیز و قابل حمل انرژی را فراهم می کند. این مورد برای صنعت حمل و نقل و همچنین برای تولید برق در سایت های ثابت مورد توجه است. COMSOL Multiphysics یک ابزار شبیه‌سازی قدرتمند است که می‌توانید از آن برای درک و غلبه بر چالش‌های طراحی و ساخت پیل سوختی PEM استفاده کنید.

تجزیه و تحلیل حمل و نقل انبوه یک سلول سوختی PEM با دمای بالا

پیل‌های سوختی PEM با دمای بالا در دمای بالای 100 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند، برخلاف نمونه‌های با دمای پایین که حدود 70 تا 80 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. به دلیل واکنش های الکتروشیمیایی که در سلول انجام می شود، آب در سمت کاتد تولید می شود. در صورت وجود آب در جریان هیدروژن، ممکن است آب در سمت آند نیز جمع شود. اگر اجازه داده شود که آب در پیل سوختی انباشته شود، واکنش های سلولی با سرعت کمتری رخ می دهد و در نهایت کل سیستم کارایی کمتری خواهد داشت.

برای جلوگیری از این امر، مهندسان می‌توانند به COMSOL Multiphysics و ماژول باتری‌ها و سلول‌های سوختی برای بررسی طراحی آنها مراجعه کنند. آنها همچنین می توانند تأثیر ضخامت الکترود، تخلخل، فعالیت کاتالیزور و محتوای الکترولیت منفذی را بر عملکرد سلول مطالعه کنند.

اگر می‌خواهید نمونه‌ای از تجزیه و تحلیل انتقال آب و واکنش‌دهنده‌ها و توزیع چگالی جریان در یک پیل سوختی PEM با دمای بالا را ببینید، تحلیل حمل‌ونقل انبوه یک مدل پیل سوختی PEM دمای بالا نقطه خوبی برای شروع است. این مدل پدیده‌های انتقال جرم و تکانه آند و کاتد را در لایه‌های انتشار گاز (GDL)، کانال‌های جریان و لایه کاتالیزور متخلخل برجسته می‌کند. این پدیده‌ها با واکنش‌های لایه کاتالیزور و جریان‌های الکتروشیمیایی که از طریق GDLها و خود غشاء منتقل می‌شوند، جفت می‌شوند.

نموداری که هندسه یک پیل سوختی PEM با دمای بالا را نشان می دهد
هندسه یک پیل سوختی PEM با دمای بالا

تلفات اهمی و توزیع دما در پیل سوختی PEM غیرفعال

هنگام طراحی سمت هوای یک پیل سوختی غیرفعال، هدف این است که مطمئن شوید که چگالی جریان و مشخصات حرارتی یکنواخت روی سلول وجود دارد، که در معرض طیف وسیعی از دماهای اطراف و بارهای فعلی است. به طور معمول، سوراخ های صفحه جمع کننده جریان کاتد باید بزرگ باشد تا انتقال واکنش دهنده خوبی به الکترود فراهم شود.

با این حال، نسبت سوراخ به ماده جامد ممکن است خیلی بزرگ نباشد زیرا سفتی ساختاری و هدایت الکتریکی از صفحه، در سراسر لایه انتشار گاز به لایه فعال (الکترود انتشار گاز)، کاهش می یابد. اگر سوراخ‌های کانال‌های هوا بیش از حد بزرگ باشند، مسیر رسانش جریان از صفحه کلکتور جریان به بخش‌های لایه فعال درست زیر مرکز سوراخ‌ها بسیار بزرگ می‌شود و جریان به نواحی متمرکز می‌شود. که به تماس الکتریکی با کلکتور جریان نزدیکتر هستند.

سپس چگالی جریان در این نواحی بیشتر خواهد بود و در نتیجه پتانسیل‌های اهمی، غلظت و فعال‌سازی بیشتر می‌شود. این در سلول‌های دارای کانال‌های مستقیم و مارپیچ نیز معتبر است، جایی که عرض کانال‌ها باید بهینه شود.

تلفات اهمی و توزیع دما در یک مدل نمونه پیل سوختی PEM غیرفعال، چگالی جریان و مشخصات حرارتی را روی یک پیل سوختی PEM غیرفعال نشان می‌دهد.

نموداری که وابستگی متوسط دمای کاتد به میانگین چگالی جریان را نشان می دهد
وابستگی متوسط دمای کاتد به میانگین چگالی جریان.

انتقال گونه ها در لایه های انتشار گاز یک PEM

گاهی اوقات، یک سلول با کانال‌های جریان مارپیچ یا یک سلول با استفاده از طراحی میدان جریان درون رقمی ممکن است دو کانال جریان مجاور در فشارهای کاری متفاوت داشته باشد. با نرم افزار COMSOL، مهندسان می توانند حمل و نقل جرم دقیق را در GDLهای یک پیل سوختی PEM مطالعه کنند، جایی که این سناریو می تواند رخ دهد.

مدل، انتقال گونه‌ها در لایه‌های انتشار گاز یک PEM ، نشان می‌دهد که چگونه می‌توانید منابع جریان الکتروشیمیایی را با جریان سیال انتقال جرم در فاز گاز ترکیب کنید تا همه پدیده‌های فیزیکی کنترل کننده ویژگی‌های ولتاژ جریان پیل سوختی PEM را شبیه‌سازی کنید.

شماتیکی که خطوط جریان و میدان فشار گاز را در الکترودهای متخلخل آند و کاتد نشان می‌دهد.
سرعت گاز و میدان فشار در الکترودهای متخلخل آند (سمت هیدروژن) و کاتد (سمت هوا) جریان می یابد.

پیل سوختی با میدان جریان سرپانتین

طراحی یک الگوی جریان پیل سوختی بر توزیع جریان، افت فشار و مصرف سوخت در سلول تأثیر می گذارد. یک رویکرد طراحی معمولی از کانال‌های سرپانتین برای توزیع یکنواخت سیال واکنش‌دهنده در ناحیه الکترود استفاده می‌کند. مزیت طراحی سرپانتین این است که کانال های موازی با طول مساوی و مقاومت جریان مشابه برای یک منیفولد ورودی کوچک ایجاد می کند. با این حال، این طراحی دارای ایراداتی است زیرا ممکن است باعث افت فشار غیر ضروری شود.

مدل Fuel Cell with Serpentine Flow Field نمونه ای عالی از نحوه استفاده از نرم افزار COMSOL برای اطمینان از عملکرد صحیح طراحی سرپانتین است. این مدل جریان هوای کاتدی و انتقال جرم را در سه کانال مارپیچ و چگالی جریان متناظر در لایه فعال زیرین پیل سوختی الکترولیت پلیمری را به تصویر می‌کشد.

نموداری که چگالی جریان کاتد را نشان می دهد
شماتیک چگالی جریان کاتد را نشان می دهد.