Чисельне дослідження продуктивності паливних елементів з протонообмінною мембраною за різної пористості матеріалів газодифузійного шару

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.181442

Ключові слова:

чисельне дослідження, ПЕПОМ, продуктивність, пористість, газодифузійний шар, матеріал, COMSOL Multiphysics

Анотація

Одним з факторів, які можуть підвищити властивість поверхневого перенесення для дифузії газу з матеріалу мембрани в ПЕПОМ, є пористість матеріалу газодифузійного шару, що впливає на розподіл часток на електродах. В даному дослідженні проводиться моделювання продуктивності ПЕПОМ шляхом чисельного дослідження впливу пористості ГДШ в деяких комерційних ELAT-TEK-1200W (e=0,31) і SIGRACET 25BA (e=0,63), а також органічних матеріалах, таких як кокосова койра (e=0,88). Для цього використовували COMSOL Multiphysics 5.3a у вигляді масових концентрацій частинок, нанесених на профіль поверхні і точок розрізу на електродах за минулий час. Потім отримані результати були використані для визначення продуктивності ПЕПОМ шляхом розрахунку деяких втрат; активаційних, омічних і масової концентраційної поляризації. Результати показали, що на продуктивність ПЕПОМ впливає тільки масова поляризація. Це означає, що питома потужність сильно залежить від концентрації частинок в анод і катод. Масова концентрація сильно залежить від розподілу часток; в ході реакції утворюються Н2, О2 і Н2О. Найбільша концентрація H2 на аноді спостерігається в ГДШ з використанням ELAT-TEK-1200W, що має найменшу пористість, що забезпечує найвищу питому потужність в порівнянні з іншими матеріалами ГДШ. Це полегшує процес дифузії між частинками H2 і O2. Однак кокосова койра як органічний матеріал може в майбутньому стати перспективним ГДШ завдяки своїй ефективності в порівнянні з іншими

Біографії авторів

Widya Wijayanti, Brawijaya University Jl. Mayjen Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

Associate Professor

Department of Mechanical Engineering

Rizky Kusumastuti, National Central University No. 300, Zhongda Road, Zhongli District, Taoyuan City, Taiwan, 320

Master student

Department of Mechanical Engineering

Sasmoko Sasmoko, National Central University No. 300, Zhongda Road, Zhongli District, Taoyuan City, Taiwan, 320

PhD student

Department of Mechanical Engineering

Mega Nur Sasongko, Brawijaya University Jl. Mayjen Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

Associate Professor

Department of Mechanical Engineering

Посилання

  1. Wang, Y., Chen, K. S., Mishler, J., Cho, S. C., Adroher, X. C. (2011). A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research. Applied Energy, 88 (4), 981–1007. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.09.030
  2. Qiu, D., Janßen, H., Peng, L., Irmscher, P., Lai, X., Lehnert, W. (2018). Electrical resistance and microstructure of typical gas diffusion layers for proton exchange membrane fuel cell under compression. Applied Energy, 231, 127–137. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.09.117
  3. Mohammed, H., Al-Othman, A., Nancarrow, P., Tawalbeh, M., El Haj Assad, M. (2019). Direct hydrocarbon fuel cells: A promising technology for improving energy efficiency. Energy, 172, 207–219. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.105
  4. Fadzillah, D. M., Rosli, M. I., Talib, M. Z. M., Kamarudin, S. K., Daud, W. R. W. (2017). Review on microstructure modelling of a gas diffusion layer for proton exchange membrane fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 77, 1001–1009. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.235
  5. Tseng, C.-J., Lo, S.-K. (2010). Effects of microstructure characteristics of gas diffusion layer and microporous layer on the performance of PEMFC. Energy Conversion and Management, 51 (4), 677–684. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.11.011
  6. Park, S., Popov, B. N. (2011). Effect of a GDL based on carbon paper or carbon cloth on PEM fuel cell performance. Fuel, 90 (1), 436–440. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.09.003
  7. O’Hayre, R., Cha, S.-W., Colella, W., Prinz, F. B. (2016). Fuel Cell Fundamentals. John Wiley & Sons. doi: https://doi.org/10.1002/9781119191766
  8. Bruno, M. M., Viva, F. A. (2013). Carbon Materials for Fuel Cells. Direct Alcohol Fuel Cells, 231–270. doi: https://doi.org/10.1007/978-94-007-7708-8_7
  9. Destyorini, F., Irmawati, Y., Widodo, H., Khaerudini, D. S., Indayaningsih, N. (2018). Properties and Performance of Gas Diffusion Layer PEMFC Derived from Coconut Coir. Journal of Engineering and Technological Sciences, 50 (3), 409–419. doi: https://doi.org/10.5614/j.eng.technol.sci.2018.50.3.7
  10. Indayaningsih, N., Irmawati, Y., Destyorini, F. (2016). Performance of gas diffusion layer derived from carbon powder of coconut coir for PEMFC application. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11 (6), 4040–4044.
  11. Jeon, D. H., Kim, K. N., Baek, S. M., Nam, J. H. (2011). The effect of relative humidity of the cathode on the performance and the uniformity of PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 36 (19), 12499–12511. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.06.136
  12. El-kharouf, A., Mason, T. J., Brett, D. J. L., Pollet, B. G. (2012). Ex-situ characterisation of gas diffusion layers for proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources, 218, 393–404. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.06.099
  13. Chen, F., Chang, M., Hsieh, P. (2008). Two-phase transport in the cathode gas diffusion layer of PEM fuel cell with a gradient in porosity. International Journal of Hydrogen Energy, 33 (10), 2525–2529. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.02.077
  14. Hinebaugh, J., Bazylak, A. (2011). PEM Fuel Cell Gas Diffusion Layer Modelling of Pore Structure and Predicted Liquid Water Saturation. ASME 2011 9th International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology. doi: https://doi.org/10.1115/fuelcell2011-54422
  15. Sezgin, B., Caglayan, D. G., Devrim, Y., Steenberg, T., Eroglu, I. (2016). Modeling and sensitivity analysis of high temperature PEM fuel cells by using Comsol Multiphysics. International Journal of Hydrogen Energy, 41 (23), 10001–10009. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.03.142
  16. Kalinci, Y., Dincer, I. (2018). Analysis and performance assessment of NH3 and H2 fed SOFC with proton-conducting electrolyte. International Journal of Hydrogen Energy, 43 (11), 5795–5807. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.07.234
  17. Jeon, D. H., Kim, K. N., Baek, S. M., Nam, J. H. (2011). The effect of relative humidity of the cathode on the performance and the uniformity of PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 36 (19), 12499–12511. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.06.136
  18. Ji, M., Wei, Z. (2009). A Review of Water Management in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells. Energies, 2 (4), 1057–1106. doi: https://doi.org/10.3390/en20401057

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-02-29

Як цитувати

Wijayanti, W., Kusumastuti, R., Sasmoko, S., & Sasongko, M. N. (2020). Чисельне дослідження продуктивності паливних елементів з протонообмінною мембраною за різної пористості матеріалів газодифузійного шару. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(5 (103), 65–75. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.181442

Номер

Розділ

Прикладна фізика