کاتد پیل سوختی با آب مایع

معرفی

در پیل های سوختی با دمای پایین، اگر فشار جزئی بخار از فشار بخار (تعادل) بیشتر شود، آب تولید شده می تواند به صورت آب مایع متراکم شود. آب مایع تولید شده می‌تواند الکترودهای انتشار گاز، لایه‌های انتشار گاز و/یا کانال‌ها و منیفولدهای جریان را پر کند و در نتیجه عملکرد پیل سوختی کاهش یابد.

این آموزش مدل تعریف شده در آموزش انتقال جرم و واکنش الکتروشیمیایی در یک کاتد پیل سوختی را گسترش می‌دهد تا اثرات تشکیل آب مایع در الکترود انتشار گاز متخلخل را نیز شامل شود.

تعریف مدل

آب مایع در مدل توسعه یافته با استفاده از عبارت تعریف شده توسط کاربر برای تراکم بخار، بسته به سطح رطوبت نسبی در فاز گاز تولید می شود:

(1)

که در آن k یک ثابت سرعت است، p H2O فشار جزئی بخار آب و p vap فشار بخار است.

الکترود انتشار گاز متخلخل آبگریز فرض می شود. فشار مویرگی، p c ، به صورت تعریف می شود

(2)

که در آن p l و pg فشار فاز هستند و زیرنویس های l و g به ترتیب به فازهای مایع و گاز اشاره دارند .

فشار مویرگی به اشباع مایع sl در محیط متخلخل همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است بستگی دارد . (توجه: منحنی فشار مویرگی در اصل از مرجع شماره 1 برای اندازه گیری روی یک لایه انتشار گاز، یعنی نه یک الکترود انتشار گاز، سرچشمه می گیرد و در اینجا صرفاً برای اهداف آموزشی استفاده می شود.)

شکل 1: فشار مویرگی در مقابل اشباع مایع.

انتقال تکانه در فاز مایع با استفاده از قانون دارسی مطابق با مدل‌سازی شده است

(3)

با حجم متوسط سرعت u i در فاز مایع مایع شاخص l به صورت تعریف شده است

(4)

که در آن μl ویسکوزیته دینامیکی سیال و κ نفوذپذیری مطلق محیط متخلخل است .

κr ,l در معادله بالا نفوذپذیری نسبی است که به سطح اشباع سیال بستگی دارد.

(5)

همبستگی مشابهی برای قانون دارسی در فاز گازی استفاده می‌شود که توسط رابط پیل سوختی حل شده است.

(6)

رابط فاز انتقال در رسانه متخلخل برای تنظیم فرمول جریان آب مایع، بر اساس قانون دارسی، حل برای s l ، به مدل استفاده می شود.

به عنوان شرایط مرزی برای مدل انتقال فاز مایع، اشباع آب مایع با توجه به فشار مویرگی 0 Pa در ورودی تنظیم می‌شود.

این مدل در یک مطالعه ثابت شامل چهار مرحله مطالعه حل شده است. به منظور تسهیل همگرایی، متغیرهای بالقوه، گونه‌های فاز گاز و فشار، و اشباع مایع در مراحل مطالعه جداگانه ابتدا برای ولتاژ سلولی 1 ولت حل می‌شوند. سپس مشکل کاملاً جفت شده در آخرین مرحله مطالعه حل می‌شود. با استفاده از یک جارو کمکی برای افزایش ولتاژ از 1 به 0.5 ولت.

نتایج و بحث

شکل 2 سطح رطوبت نسبی در سلول را در 0.5 ولت مقایسه می کند که در آن متراکم آب و انتقال آب مایع در مدل لحاظ نشده است. در صورت عدم احتساب تراکم آب، مخلوط هوا به میزان قابل توجهی بیش از حد اشباع می شود و رطوبت نسبی آن به حدود 160 درصد می رسد. با احتساب تراکم، رطوبت نسبی نزدیک به 100 درصد در سراسر کاتد باقی می ماند.

شکل 2: رطوبت نسبی با فرض عدم تراکم آب (سمت چپ) و زمانی که شامل تراکم و انتقال آب (راست) می شود.

شکل 3 سطح اشباع مایع و سطح فشار مویرگی مربوطه را هنگام انتقال آب مایع نشان می دهد. اکنون آب مایع در الکترود تشکیل می شود و عمدتاً توسط گرادیان فشار مویرگی به سمت سوراخ ورودی به بیرون منتقل می شود. سطح اشباع آب در منافذ از 10٪ تجاوز نمی کند.

شکل 3: سطح اشباع آب مایع و شار آب مایع (سمت چپ) و توزیع فشار مویرگی مربوطه (راست).

در نهایت، منحنی های پلاریزاسیون برای دو مورد در شکل 4 مقایسه شده است . معرفی حمل و نقل آب مایع در مدل، سطوح جریان را برای یک ولتاژ مشخص به ویژه برای ولتاژهای پایین‌تر کمی افزایش می‌دهد. این ممکن است غیر منطقی به نظر برسد، اما دلیل آن این است که تراکم بخار آب منجر به افزایش فشار جزئی اکسیژن می شود که تأثیر مثبتی بر پتانسیل کاتد دارد. حجم کم (کمتر از 10٪) آب مایع تنها تأثیر مخرب جزئی بر نرخ کلی انتقال گاز دارد.

شکل 4: مقایسه نمودارهای پلاریزاسیون چه زمانی و چه زمانی نه، با در نظر گرفتن تشکیل و انتقال آب مایع در کاتد.

ارجاع

1. EC Kumbur، KV Sharp، و MM Mench، “رویکرد معتبر Leverett برای جریان چند فازی در رسانه های انتشار PEFC، I. Hydrophobicity Effect”، مجله انجمن الکتروشیمیایی ، جلد. 154، شماره 12، صفحات B1295–B1304، 2007.

Fuel_Cell_and_Electrolyzer_Module/Fuel_Cells/fuel_cell_cathode_with_liquid_water

دستورالعمل های مدل سازی

کتابخانه های کاربردی

از منوی ، انتخاب کنید .

در پنجره در درخت انتخاب کنید .

کلیک کنید .

ابتدا یک شبیه سازی برای رطوبت نسبی ورودی 100 درصد انجام دهید.

تعاریف جهانی

پارامترهای 1

در پنجره ، در قسمت کلیک کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


نام	اصطلاح	ارزش	شرح
RH	100[%]	1	رطوبت نسبی

مطالعه 1

در نوار ابزار ،

کلیک کنید .

نتایج

نمودار رطوبت نسبی را به صورت زیر ترسیم کنید:

رطوبت نسبی

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و را انتخاب کنید .

در پنجره برای ، رطوبت نسبی را در قسمت نوشتار تایپ کنید .

جلد 1

کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، روی در گوشه سمت راست بالای بخش کلیک کنید . از منو، را انتخاب کنید .

انتخاب 1

کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

از لیست ، را انتخاب کنید .

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید .

جدول کاوشگر 1

جدول پروب حاوی داده های قطبش را برای مقایسه های بعدی ذخیره کنید.

اشباع بیش از حد، بدون انتقال آب مایع

در پنجره ، گره را گسترش دهید .

کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

در پنجره ، Oversaturated, no fluid water transport را در قسمت نوشتار تایپ کنید .

جزء 1 (COMP1)

اکنون مدل حمل و نقل مایع را تنظیم کنید.

فیزیک را اضافه کنید

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید تا پنجره باز شود .

به پنجره بروید .

در درخت، را انتخاب کنید .

برای گسترش بخش کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


s_g
s_l

در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید تا پنجره بسته شود .

تعاریف جهانی

کسر حجمی گاز بسته به سطح اشباع مایع در مدل اصلاح شده متغیر خواهد بود. نام و توضیحات پارامتر eps_gas را به صورت زیر پیدا کرده و تغییر دهید :

پارامترهای 1

در پنجره ، در قسمت کلیک کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


نام	اصطلاح	ارزش	شرح
eps_pores	0.4	0.4	کسر حجمی منافذ در الکترود متخلخل

همچنین یک پارامتر kce اضافه کنید تا ثابت نرخ تبخیر چگالش را تعریف کنید.

در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


نام	اصطلاح	ارزش	شرح
kce	5.62e4 [mol/m^3/s]	56200 mol/(m³·s)	نرخ تبخیر میعان ثابت است

تعاریف

چند عبارت متغیر را از یک فایل بارگیری کنید:

متغیرهای 1

در پنجره ، در قسمت کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

کلیک کنید .

به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل fuel_cell_cathode_with_liquid_water_variables.txt دوبار کلیک کنید .

متغیر pc با رنگ نارنجی مشخص می شود زیرا عملکرد فشار مویرگی هنوز تعریف نشده است . تابع را به صورت زیر تعریف کنید:

درون یابی 1 (int1)

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

از فهرست ، انتخاب کنید .

کلیک کنید .

به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل fuel_cell_cathode_with_liquid_water_pc.txt دوبار کلیک کنید .

کلیک کنید .

در قسمت متن ، pc را تایپ کنید .

پیدا کنید . از لیست ، انتخاب کنید .

پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


بحث و جدل	واحد
تی	1

در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:


تابع	واحد
کامپیوتر	بار

برای گسترش بخش کلیک کنید . را انتخاب کنید .

در قسمت متنی ، s_l را تایپ کنید .

کلیک کنید .

متغیرهای 1

اکنون به عقب برگردید و بررسی کنید تا هیچ متغیری با رنگ نارنجی در لیست وجود نداشته باشد.

اگر متغیرهایی با رنگ نارنجی علامت‌گذاری شده‌اند، ممکن است به این دلیل باشد که هنگام اضافه کردن متغیرهای وابسته را روی s_g و s_l تنظیم نکرده‌اید، یا هنگام اضافه کردن تابع ، نام تابع را روی pc تنظیم نکرده‌اید ، یا تغییر نام eps_gas را از دست داده‌اید. eps_pores در .

پیل سوختی هیدروژنی (FC)

استوکیومتری آب مایع را به صورت زیر فعال کنید:

در پنجره را گسترش دهید ، سپس روی کلیک کنید .

در پنجره ، قسمت را پیدا کنید .

پیدا کنید . را انتخاب کنید .

فاز 1 گاز O2

واکنش تراکم را به صورت زیر اضافه کنید:

در پنجره ، در کلیک کنید .

تراکم آب – تبخیر 1

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، قسمت پیدا کنید .

در قسمت متن k ce ، kce را تایپ کنید .

الکترود انتشار گاز O2 1

به دلیل وجود آب مایع در کاتد، نفوذپذیری را به صورت زیر به روز کنید:

در پنجره ، در کلیک کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

در قسمت متن κ g ، perm_eff_gas را تایپ کنید .

انتقال فاز در محیط متخلخل (PHTR)

اکنون انتقال فاز را به صورت زیر تنظیم کنید:

در پنجره ، در قسمت کلیک کنید .

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

از لیست ، را انتخاب کنید .

خواص انتقال فاز و متخلخل رسانه 1

در پنجره ، در کلیک کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

در قسمت متن p A ، fc.pA را تایپ کنید .

را پیدا کنید . در قسمت متن p csl ، pc را تایپ کنید .

رابط پیل سوختی هیدروژنی متغیرهای چگالی و ویسکوزیته را برای مخلوط گاز و آب مایع اعلام و اعلام می کند. ویژگی های مربوطه را در رابط فاز انتقال برای استفاده از این متغیرها به صورت زیر تعریف کنید:

پیدا کنید . از لیست ρ sg ، انتخاب کنید .

از لیست μ sg ، انتخاب کنید .

را پیدا کنید . از لیست ρ sl ، انتخاب کنید .

از لیست μ sl ، انتخاب کنید .

را پیدا کنید . از لیست ε p ، انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، eps_gas را تایپ کنید .

از لیست κ ، انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، perm را تایپ کنید .

کسری جلدی 1

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و انتخاب کنید .

در مرز ورودی، اشباع مایع با فشار مویرگی صفر مطابقت دارد.

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

از لیست ، انتخاب کنید .

را پیدا کنید . کادر را انتخاب کنید .

در قسمت متنی s 0,sl ، s_l(0) را تایپ کنید .

اگر s_l(0) با رنگ نارنجی مشخص شد، احتمالاً تعریف تابع معکوس در تابع را از دست داده اید .

مقادیر اولیه 1

از همان عبارت برای کسر حجمی اولیه استفاده کنید.

در پنجره ، روی کلیک کنید .

در پنجره برای ، قسمت را پیدا کنید .

در قسمت متنی s 0,sl ، s_l(0) را تایپ کنید .

منبع انبوه 1

منبع جرم فاز مایع را که از واکنش های پیل سوختی ناشی می شود به صورت زیر اضافه کنید:

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و را انتخاب کنید .

در پنجره برای ، بخش را پیدا کنید .

از لیست ، را انتخاب کنید .

پیدا کنید . از لیست qs sl ، را انتخاب کنید .

مطالعه 1

از یک دنباله مطالعه شامل چهار مرحله برای حل مدل استفاده کنید. رویکرد گام به گام همگرایی را بهبود می بخشد. مطالعه موجود را به شرح زیر اصلاح کنید:

ثابت – به استثنای حمل و نقل فاز

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، Stationary – Excluding Phase Transport را در قسمت نوشتاری تایپ کنید .

پیدا کنید . در جدول، کادر را پاک کنید .

مرحله 2: ثابت – به استثنای انتقال فاز

کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

ثابت – فقط حمل و نقل فاز

در نوار ابزار ، روی

کلیک کنید و انتخاب کنید .

در پنجره برای ، Stationary – Phase Transport Only را در قسمت نوشتاری تایپ کنید .

پیدا کنید . در جدول، کادر را پاک کنید .

مرحله 3: ثابت – فقط انتقال فاز

کلیک راست کرده و انتخاب کنید .

ثابت – تمام فیزیک

در پنجره ، روی کلیک کنید .

در پنجره برای ، Stationary – All Physics را در قسمت نوشتار تایپ کنید .

اکنون مطالعه باید شامل چهار مرحله باشد، به ترتیب زیر: مرحله 1: راه اندازی توزیع جریان، مرحله 2: ثابت – به استثنای انتقال فاز، مرحله 3: ثابت – فقط انتقال فاز، مرحله 4: ثابت – تمام فیزیک.

راه حل 1 (sol1)