Croatian Union of Mechanical Engineers and Naval Architects
Abstract
In this study, fluid flow and concentration distribution on the cathode side of a
Proton Exchange Membrane Fuel Cell were numerically analyzed. The problem
domain consists of a cathode gas flow channel, cathode gas diffusion layer and
cathode catalyst layer. The governing equations, continuity, momentum and
concentration equations were discritized by the control volume method and
solved using a computer program based on SIMPLE algorithm. Simulations were
made for different values of gas diffusion layer porosity, catalyst layer porosity
and the ratio of the cathode gas diffusion layer thickness to the gas flow channel
height. Using the results of these simulations, the effects of these parameters on
flow, oxygen concentration and current density distribution were analyzed. It is
observed that increasing the porosities of the gas diffusion layer and catalyst
layer increases the current and power densities. The increase in the porosity
of the gas diffusion layer also increases the oxygen concentration in both gas
diffusion and catalyst layers but decreases the oxygen concentration in gas flow
channel. Simulations also showed that increasing porosity of the catalyst layer
increases the oxygen concentration in a catalyst layer but decreases the oxygen
concentration in a gas flow channel and gas diffusion layer. It is also seen that the
effect of the gas diffusion layer porosity is more dominant on cell performance
compared to the catalyst layer porosity. The analysis of the effect of the ratio of
the cathode gas diffusion layer thickness to the gas flow channel height on the
cell performance showed that the increasing ratio of the cathode gas diffusion
layer thickness to the gas flow channel height decreases the current and power
densities. An analysis of the data obtained from simulations also shows that
increasing the ratio of the cathode gas diffusion layer thickness to the gas flow
channel height increases the oxygen concentration in the gas flow channel but
decreases the oxygen concentration in both gas diffusion and catalyst layers.U ovom radu je numerički analizirano strujanje fluida i raspodjela koncentracije
protonske izmjenjivačke membrane na katodnoj strani gorive ćelije. Problemska
domena se sastoji od kanala katode kroz koji struji plin, difuznog sloja plina
na strani katode kao i katodnog katalitičkog sloja. Generalne jednadžbe,
jednadžbe kontinuiteta, jednadžbe količine gibanja i jednadžbe koncentracije
su diskretizirane metodom kontrolnog volumena i riješene koristeći računarski
program koji je baziran na algoritmu SIMPLE. Simulacije su napravljene za
različite vrijednosti poroznosti difuzijskog sloja na strani plina, poroznosti
katalitičkog sloja i omjera debljine difuzijskog sloja na strani plina i visine kanala
kroz koji struji plin. Koristeći rezultate ovih simulacija, analizirani su efekti ovih
parametara na strujanje, koncentraciju kisika i raspodjelu gustoće struje. Uočeno
je da se s povećavanjem poroznosti difuzijskog sloja na strani plina i katalitičkog
sloja, povećava se jakost struje i snage. Povećavanjem poroznosti difuzijskog
sloja na strani plina, povećava se i koncentracija kisika i u difuzijskom sloju na
strani plina i u katalitičkom sloju, ali se smanjuje koncentracija kisika u kanalu
kroz koji struji plin. Simulacije su također pokazale da povećavanjem poroznosti
u katalitičkom sloju povećavaju u njemu koncentraciju kisika, ali smanjuje
se koncentracija kisika u kanalu strujanja plina kao i u difuzijskom sloju na
strani plina. Također je uočeno da je efekt poroznosti u difuzijskom sloju na
straniplina bitno utjecajniji na performanse gorive ćelije od poronosti kataltičkog
sloja. Analiza efekta omjera debljine difuzijskog sloja na strani plina na katodi
i visine kanala kroz koji struji plin na performance gorive ćelije je pokazala da
se povećavanjem debljine difuzijskog sloja plina na katodi u odnosu na visinu
kanala, smanjuje jakost struje i gustoću snage. Analiza podataka dobivena
simulacijom također pokazuje da se povećavanjem omjera debljine difuzijskog
sloja plina na strani katode prema visini kanala, povećava koncentraciju kisika
u kanalu strujanja plina ali smanjuje koncentraciju kisiku i u dufuzijskom sloju
plina i katalitičkom sloju