ผลของการออกแบบช่องทางการไหลและพารามิเตอร์ดำเนินการต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็มแบบเปิดด้านแคโทด: การศึกษาเชิงคำนวณ

Abstract

ในงานวิจัยนี้ได้พัฒนาแบบจำลองสามมิติ วัฏภาคเดียวที่สภาวะคงตัวและอุณหภูมิคงที่เพื่อที่จะศึกษาผลของการออกแบบช่องทางการไหลของแก๊สด้านแคโทดด้วยการปรับเปลี่ยนค่าอัตราส่วนด้านกว้างต่อด้านสูงและค่าพื้นที่ตัดขวางของช่องทางการไหลของแก๊ส รวมทั้งอัตราการป้อนอากาศ ความชื้นของอากาศ และอุณหภูมิของเซลล์ต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็มแบบเปิดด้านแคโทดด้วยวิธีทางพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณโดยใช้โปรแกรม ANSYS FLUENT 6.3 ผลจากการคำนวณโดยแบบจำลองพบว่าเมื่ออัตราส่วนระหว่างความสูงต่อความกว้างของพื้นที่ตัดขวางลดลงจะทำให้ออกซิเจนสามารถแพร่ไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาได้มากขึ้นทำให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น สำหรับขนาดของพื้นที่ตัดขวางพบว่าการเพิ่มพื้นที่ตัดขวางส่งผลต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงแบบไม่เป็นเชิงเส้นโดยเมื่อพื้นที่ตัดขวางเพิ่มขึ้นจะทำให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงลดลงในช่วงแรกและเพิ่มขึ้นในช่วงถัดไป ทั้งนี้พบว่าสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับทั้งระยะห่างระหว่างช่องทางการไหลที่อยู่ติดกันและพื้นที่สัมผัสระหว่างช่องทางการไหลของแก๊สกับชั้นการแพร่ของแก๊ส โดยในการออกแบบควรมีระยะห่างระหว่างช่องทางการไหลของแก๊สน้อยและมีพื้นที่สัมผัสมาก ซึ่งค่าอัตราส่วนและขนาดพื้นที่ตัดขวางที่เหมาะสมเท่ากับ 0.8 และ 2 ตารางมิลลิเมตร ตามลำดับ การศึกษาผลของพารามิเตอร์ดำเนินการต่างๆต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิง พบว่าเมื่ออัตราการป้อนอากาศสูงขึ้นจะทำให้ออกซิเจนแพร่ไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยามากขึ้นมีผลให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น ส่วนการเพิ่มความชื้นของอากาศไม่ส่งผลต่อสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงและการเพิ่มอุณหภูมิของเซลล์เชื้อเพลิงทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาหรือค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าท้องถิ่นสูงขึ้นมีผลให้สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น