Bu tədqiqat, proton dəyişim membranlı bir yanacaq hüceyrəsinin katod tarafında geleneksel qarbon lifli kşəbəkəız yerine 100 µm çapında dəlikləre sahip ince bir metal lövhə kullanılmasının istilik, oksigen və su dpeyəndnımını nasıl etgilədiğini üçölçülü və çoxfazaalı hesablamalı axışkanlar dinamikası modeliyle araşdırmışdır. Metal qaz diffuziya qatmanının istilik ilətkenliği 20 W/(m·K), müqayisə amacıyla istifadə edilən qarbon lifli qaz diffuziya qatmanınınki isə 0,5 W/(m·K) kabul edilmiştir. Yüksek metal ilətkenliği, yüksek axınm sıxlıqlarında yaranan atıq istiliknın uzaklaştırılmasını kolaylaştırmış; araşdırılan ən yüksək başarılı çözümde hüceyrə üçündeki maksimum temperatur artışı təxminən 2,5 °C ilə məhdud qalmışdır.

Model, axım sıxlığı 1,0 A/cm²’den 4,0 A/cm²’ye yükseldikçe orta membran su tərkibinin təxminən \(\lambda=7\) düzeyinden tam hidrasiyaa yaxınn \(\lambda=14\) düzeyine çıktığını göstərmişdir. Lakin artan su istehsalı yalnızca membranı nəmləndirməmiştir. Yaklpeyəndk 2–3 A/cm² arasında katod katalizator qatmanı və mikroməsaməli qatmanda maye su oluşmaya başlamış, xüsusilə axınş kanalının bitişik katı çıkıntılarının altında su birikmiştir. Bu su, oksigenin katalizator qatmanına tpeyəndnmasını zorlaştırarak ulpeyəndlabilir axım sıxlığınu sınırlamıştır.

Basitleştirilmiş tek fazalı bir boyutlu model təxminən 10,8–11,0 A/cm² nəzəri sərhəd axımı proqnozrken, çoxfazaalı üçölçülü model sınırın təxminən 5–6 A/cm² bölgesinde olduğunu göstərmişdir. Tədqiqatda 5,0 A/cm² çözümü sayısal kimi sabit biçimde tamamlanamadığından ayrıntılı dşəbəkəılımlar 4,0 A/cm² üçün məlumatlmiştir. Tədqiqatçılar, sınırlamanın oksigenin giriş kanalındaki yetersizliğinden değil, məsaməli qatlardaki maye suyun oksigen tpeyəndnım müqavimətini artırmasından mənbəlandığını dəyərlendirmiştir.

Yüksek katod basıncı başka bir dumantem problemu da yaratmaqtadır. Kompressor, giriş havasının temperaturunı yükseltirken nisbi rütubətini düşürmektedir. Bir boyutlu modelde 30 °C ortam temperaturunda kompressor çıkış havasının bazı tədqiqat noktalarında 100 °C’yi aşabiləceği hesablanmışdır. Tədqiqat bu nedenle, geleneksel membranlı nəmləndirici yerine kompressorden sonra təxminən 25 µm ölçeğindeki su damcılarını püskürten bir dumantemin araştırılmasını təklif edir. Buharlaşan damcıcıkların havayı eyni anda soğutması və nəmləndirməsi beklenmektedir; lakin bu çözüm mevcut araşdırmada birbaşa modellenmemiş və ya eksperimental kimi sınanmamıştır.

Türkiyə baxımından olası əhəmiyyəti

Tədqiqatda Türkiyə’ye ait yanacaq hüceyrəsi, iklim, ulpeyəndm və ya uçuş məlumatsi kullanılmamıştır. Buna rşəbəkəmen üsul; Türkiyədə geliştiriləbiləcek hidrogenli hava vasitələri, pilotsuz uçuş aparatları, şəbəkəır kommersiya nəqliyyat vasitələri, dəniz vasitələri və sabit güc dumantemlərinde yüksek güç sıxlıqlu PEM yaxınt hüceyrələrinin tasarımı açistilikndan əhəmiyyət tpeyəndmaktadır. Özellikle ince metal gaz diffuziya qatlarının istilik yönetimini iyiləştirirken su sıxması riskini ortadan kaldırmaması, yalnızca materialın istilik ilətkenliğine odaklanmanın yetərli olmayacşəbəkəını göstərir.

Sonuçların Türkiyədəki bir dumanteme aktarılabilmesi üçün gerçek metal lövhə geometrisinin ölçülmesi, örtük və korroziya davranışının incelenmesi, fərqli iklim temperaturları və hündürlük sıxmalarının modele eklenmesi, yerli kompressor və nəmləndirmə dumantemlerinin dinamik davranışının dəyərlendirilmesi və hesablamaların eksperimental tek hüceyrə və ya kısa yığın testləriyle doğrulanması lazımdır. Tədqiqat herhangi bir Türk yanacaq hüceyrəsi dumanteminin 5–6 A/cm² axım sıxlığında çalışabiləceğini, havacılık üçün inamli olduğunu və ya püskürtməli nəmləndirmənin membranlı dumantemlerden kesin biçimde üstün olduğunu sübut etmir.

Araşdırmanın təməl sualsu nedir?

PEM yaxınt hüceyrələrinde qaz diffuziya qatmanı, axınş kanalındaki oksigenin katalizator qatmanına ulaşmasına, reaksiya suyunun uzaklaştırılmasına, elektrik axınmının ilətilmesine və istiliknın bipolyar plakaya aktarılmasına yardımcı olur. Geleneksel katod gaz diffuziya qatları çoğunlukla qarbon lifli kşəbəkəıztan üretilir. Bu materiallarin məsaməliliği yüksek olsa da kalınlık doğrultusundaki istilik keçiricilikleri genellikle məhduddur.

Tədqiqat, qarbon lifli kâğıdın yerine kimyəvi peyəndndırma benzeri üsullerle düzenli dəliklər açılmış ince bir metal lövhə yerleştirilmesi hâlinde hüceyrənin yüksek axınm sıxlıqlarında nasıl davranacşəbəkəını araştırmıştır. Temel sual, metal lövhənın yüksek istilik ilətkenliğinin hüceyrəyi peyəndrı istiliknmadan koruyup koruyamayacşəbəkəı və performans sınırının bundan sonra hangi tpeyəndnım mekanizması tarafından belirleneceğidir.

PEM yanacaq hüceyrəsindeki elektrokimyəvi reaksionlar

Anot tarafında hidrogen protonlara və elektronlara ayrılır:

\[ \mathrm{H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-} \]

Katot tarafında oksigen, membrandan gelen protonlar və dış devreden gelen elektronlarla birləşərək su oluşturur:

\[ \mathrm{\frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O} \]

Toplam hüceyrə reaksionu şöyledir:

\[ \mathrm{H_2+\frac{1}{2}O_2\rightarrow H_2O} \]

Elektronlar dış devreden geçerek elektriksel güç üretirken protonlar elektrolit membrandan geçer. Katotta yaranan suyun bir bölümü membranı rütubətlendirir, bir bölümü gaz fazaasına buharlpeyəndr və bir bölümü məsamələrde sıvı kimi birikebilir.

Delikli metal qaz diffuziya qatmanı neden önerilmektedir?

Metal levhalarda dəlik diametri, dəlik konumu və dəlik sıxlığı istehsal ardıcıllıqsında belirlenebilir. Tədqiqatçılar, kanal girişinde quru hava bulunduğunda düşük məsaməliliğin reaksiya suyunu membrana yaxınn tutabiləceğini; çıkışa doğru oksigen azalıp rütubət yükseldiğinde isə daha yüksek dəlik sıxlığınun oksigen dpeyəndnımını kolaylaştırabiləceğini belirtmektedir.

Deliklerin katı çıkıntıların altında bulunmaması, elektriksel və istilik kontakt müqavimətini azaltabilir. Bununla belə düz metal dəliklər yalnızca kalınlık doğrultusunda tpeyəndnım sşəbəkəlar. Katı çıkıntıların altına oksigen ulaştırabilmek üçün metal lövhə ilə katalizator qatmanı arasında mikro məsaməli bir qat kullanılması lazımdır.

Tədqiqatda istifadə edilən metal lövhənın nominal kalınlığı 50 µm, dəlik diametri 100 µm və məsaməliliği %39,3’tür. Karbon lifli kâğıtlarda məsaməlilik təxminən %80 düzeyinde olabilmesine rşəbəkəmen metal lövhə çox daha ince və çox daha yüksek istilik ilətkenliğe sahiptir.

Modelin təməl kabulleri

• Çözüm sabit vəziyyətdadır; başlatma, yük değişimi və ya geçici su hareketleri modellenmemiştir.
• Gaz fazaası ideal və zəif sıxıla bilən kabul edilmiştir.
• Akış laminar kabul edilmiş, turbulentlik modeli kullanılmamıştır.
• Sıvı faza sıkıştırılamaz və saf sudan oluşmaktadır.
• Gaz və sıvı fazaalar üçün ayrı korunum tənlikleri çözülmüştür.
• Elektriksel potensial və ayrıntılı elektrod kinetiği çözülmemiştir.
• Yerel axım sıxlığı, yerli oksigen konsentrasiyasına bşəbəkəlı basitleştirilmiş bir bşəbəkəıntıyla hesablanmışdır.
• Elektro-osmotik sürükleme katsayistilik sabit və bir kimi alınmıştır.
• Katot və anod katalizör qatlarındaki toplam sabit peyəndrı gərginlik 550 mV kabul edilmiştir.
• Membranın təxminən %15’e ulaşabilən şişmesi ihmal edilmiştir.
• Hidrojen və oksigenin membran üzərindən çapraz geçişi modellenmemiştir.

Çok axışkanlı korunum tənlikleri

Gaz və sıvı fazaalar üçün müddətklilik tənliki şu genel biçimde çözülmüştür:

\[ \nabla\cdot\left(\varepsilon r_\alpha \rho_\alpha \mathbf{U}_\alpha\right) = \varepsilon S_{c\alpha} + \left(\dot{m}_{\alpha\beta}-\dot{m}_{\beta\alpha}\right) \]

\(\varepsilon\) məsaməliliği, \(r_\alpha\) fazaasın həcm nisbətinı, \(\rho_\alpha\) sıxlığı və \(\mathbf{U}_\alpha\) sürət vektörünü gösterir. Son terimler buxarlanma və kondensasiya nedeniyle fazaalar arasındaki kütlə aktarımını temsil eder. Açık kanallar və metal lövhədaki dəliklər üçün məsaməlilik bir kabul edilmiştir.

Her fazaasın momentum tarazlığı sıxma, viskoz gerilme, məsaməli mühit müqaviməti və faza değişiminden mənbəlanan momentum aktarımını içermektedir:

\[ \nabla\left( \varepsilon r_\alpha\rho_\alpha \mathbf{U}_\alpha\otimes\mathbf{U}_\alpha - \nabla\boldsymbol{\tau}_\alpha \right) = \varepsilon r_\alpha \left(\mathbf{B}_\alpha-\nabla P\right) + \left( \dot{m}_{\alpha\beta}\mathbf{U}_\beta - \dot{m}_{\beta\alpha}\mathbf{U}_\alpha \right) \]

Gerilme tensörü:

\[ \boldsymbol{\tau}_\alpha = \mu_\alpha \left[ \nabla\mathbf{U}_\alpha+ \left(\nabla\mathbf{U}_\alpha\right)^T \right] \]

şeklindedir. Gözenekli qatlardaki kapilyar dpeyəndnım və Darcy tipi axınş müqaviməti, momentum tənliklerine eklenen gövdə kuvvetleriyle temsil edilmiştir.

Oksijen, su buxarı və enerji tpeyəndnımı

Gaz qarışımındaki her komponentin tpeyəndnımı şu tənlikle hesablanmışdır:

\[ \nabla\cdot(\rho_g\mathbf{U}_gY_i) - \nabla\cdot(\rho_gD_{i,m}\nabla Y_i) = S_i \]

\(Y_i\) kütlə kesrini, \(D_{i,m}\) isə komponentin arka plan gazı üçündeki igili diffuziya əmsalını göstərir. Katotta oksigen və su buxarı çözülürken azot arka plan gazıdır. Anotta hidrogen və su buxarından yaranan igili qarışım kabul edilmiştir.

Akışkan fazaalarındaki enerji tarazlığı:

\[ \nabla\cdot(\rho_\alpha\mathbf{U}_\alpha H_\alpha) - \nabla\cdot(k_\alpha\nabla T_\alpha) = S_{h\alpha} \]

şeklindedir. Toplam entalpi:

\[ H_\alpha=h_\alpha+\frac{1}{2}U_\alpha^2 \]

kimi diaqnozmlanmıştır. Metal levha və membran gibi bərk bölgələrde sabit istilik keçirilməsi:

\[ \nabla\cdot(k_s\nabla T)=0 \]

tənlikiyle çözülmüştür.

Gaz sıxlığı və məsaməli mühit diffuziyau

Gaz sıxlığı ideal qaz bşəbəkəıntistilikyla hesablanmışdır:

\[ \rho=\frac{pM_{\mathrm{mix}}}{RT} \]

Karışımın molekül şəbəkəırlığı:

\[ M_{\mathrm{mix}}=\sum_{i=1}^{n}x_iM_i \]

kimi müəyyən edilmişdir. Gözenekli ortam üçündeki effektiv diffuziya əmsalı isə məsaməlilik və qıvrımlılıq istifadə edilərək:

\[ D_{i,j,\mathrm{eff}}=D_{i,j}\frac{\varepsilon}{\tau} \]

şeklinde düzeltilmiştir. Metal levhadaki düz dəliklərde qıvrımlılıq bir, mikroməsaməli qatmanda isə üç kabul edilmiştir.

Membranda su dpeyəndnımı

Tədqiqatın ikinci hesablama alanı, membran və katalizör qatlarındaki çözünmüş suyun tpeyəndnımını hesablamaktadır. Temel tənlik:

\[ \frac{\rho_{\mathrm{mem}}}{EW} \nabla\left(D_w^{\mathrm{mem}}\nabla\lambda\right)M_w = EOD-NES \]

şeklindedir. \(\lambda\), membran üçündeki her sülfon turşusu grubu bpeyəndna düşen su molekülü sayistiliknı temsil eden boyutsuz su tərkibidir.

Elektro-osmotik sürükleme terimi:

\[ EOD=n_d\frac{i_{\mathrm{vol}}}{F}M_w \]

və denge dışı udulma-desorpsion terimi:

\[ NES=\alpha k(C_{w,\mathrm{eq}}-C_w)M_w \]

kimi tətbiq edilmişdir. Membran su konsantrasyonu ilə su tərkibi arasındaki ilişki:

\[ C_w=\frac{\rho_m}{EW}M_w\lambda \]

şeklindedir. Elektro-osmotik sürükleme suyu anodtan katoda tpeyəndrken konsantrasyon farkına bşəbəkəlı diffuziya ters yönde çalışabilir. Kararlı durumda bu mekanizmaların net dengesi membrandan geçen toplam su miqdarını müəyyən etməktedir.

Denge su tərkibi, su aktivitesine bşəbəkəlı kübik bşəbəkəıntıyla hesablanmışdır:

\[ \lambda_{\mathrm{eq}}^{30^\circ\mathrm{C}} = 0{,}043+17{,}81a-39{,}85a^2+36{,}0a^3 \qquad (a<1) \]

Membrandaki su diffuziya əmsalı \(\lambda\) və sıcaklığa bşəbəkəlıdır. Modelde istifadə edilən bşəbəkəıntı, düşük su tərkibinde diffuziyaun sürətla azalmasını və \(\lambda>5\) olduğunda təxminən sabit bir bölgeye geçmesini temsil etmektedir. İncelenen bütün tədqiqat noktalarında membran su tərkibi beşin üzərində qalmışdır.

Elektrokimyəvi mənbə və tüketim terimleri

Katot katalizator qatmanındaki oksigen tüketimi:

\[ S_{\mathrm{O_2}}=-\frac{i_{\mathrm{vol}}}{4F}M_{\mathrm{O_2}} \]

və maye su istehsalı:

\[ S_l=\frac{i_{\mathrm{vol}}}{2F}M_{\mathrm{H_2O}} \]

kimi diaqnozmlanmıştır.

Ayrıntılı Butler–Volmer kinetiği yerine yerli həcmli axım sıxlığı şu basitleştirilmiş bşəbəkəıntıyla hesablanmışdır:

\[ i_{\mathrm{vol}} = i_{\mathrm{vol,ave}} \left( \frac{C_{\mathrm{O_2}}} {C_{\mathrm{O_2,ave}}} \right)^\gamma \]

Tədqiqatda \(\gamma=0{,}5\) alınmıştır. Böylece oksigen konsentrasiyasınun yüksek olduğu dəlik altlarında daha fazala, su biriken katı çıkıntı altlarında isə daha az axınm üretilmektedir. Bu ifade mekanizmayı basitleştirmektedir və gerçek katalizör kinetiğinin birbaşa çözümü değildir.

Hesaplama alanları

Model iki ayrı lakin geometrik kimi eşleşen hesablama alanından oluşmaktadır:

• Hesaplama Alanı I: Anot və katod kanalları, gaz və sıvı fazaalar, metal GDL, anod qarbon lifli GDL, mikroməsaməli qatmanlar, katalizör qatları və membran üçündeki temperatur dşəbəkəılımı çözülmüştür. Bu alanda membran tür geçişine kapalı, istilik iləten bir katı kimi ele alınmıştır.
• Hesaplama Alanı II: Membran və katalizör qatlarındaki çözünmüş su dpeyəndnımı, elektro-osmotik sürükləmə, denge dışı udulma və geri diffuziya hesablanmışdır.

Şegil 2 və tam sayfa qarşılığı olan 29. sayfa, iki hesablama alanının katod kanalı, metal GDL, katod MPL, anod GDL və membranla nasıl eşleştirildiğini göstərir.

Sayısal şəbəkə

CFX-4 yazılımının blok quruluşlu şəbəkə gereksinimi nedeniyle yalnızca heksaedral hüceyrəler istifadə edilmişdir. Geometri toplam 507 blok və 37.920 hüceyrəden oluşmaktadır. Delik eğriliğini çözebilmek üçün şəbəkə metal GDL çevresinde yoğunlaştırılmıştır.

• Katot kanal yüksekliğinde 10 hüceyrə istifadə edilmişdir.
• Anot kanal yüksekliğinde 8 hüceyrə istifadə edilmişdir.
• Her yarım dəlik, her üfüqi düzlemde 48 hüceyrə və yükseklik boyunca 5 qatla temsil edilmiştir.
• Bir yarım dəlikte toplam 240 hüceyrə bulunmaktadır.
• Modellenen kanal bölümü yalnızca 0,6 mm uzunluğundadır.
• Simetrik geometride beş yarım dəlik bulunmaktadır.

Tədqiqat cebirsel çoxşəbəkəli dekodersünün şəbəkədan görəce bşəbəkəımsız davranış sşəbəkəladığını belirtmektedir. Bununla belə fərqli hüceyrə sıxlıqlarını qarşılaştıran dumantematik bir şəbəkə müstəqilliyi cədvəlsu və ya xəta ölçütü sunulmamıştır.

Bir boyutlu modelin geometrik girdiləri

Tablo 1’də dəlik aralığı 0,414 mm kimi məlumatlmesine rşəbəkəmen izləmə eden paragrafta 42,4 µm ifadesi kullanılmaktadır. Bu iki dəyərin merkezler arası uzaklık, dəlik kenarları arasındaki mesafe və ya fərqli bir geometrik diaqnozm olup olmadığı açıklanmamıştır. Bu nedenle geometriyi yeniden kuracak tədqiqatçıların özgün müəlliflərdan açıklama istemesi lazımdır.

Üç boyutlu modelde istifadə edilən material xüsusiləri

Mikro məsaməli qatın istilik ilətkenliği bir boyutlu modelde 1,0 W/(m·K), üçölçülü modelde 0,5 W/(m·K) alınmıştır. Tədqiqatda bu değişikliğin nəticələra etkisi həmçinin dəyərlendirilmemiştir.

Yüksek sıxmalı tədqiqat şərtlərı

Bir boyutlu modelde katod çıxış təzyiqi 160 kPa və giriş nisbi rütubəti yalnızca %5 kabul edilmiştir. Her axım sıxlığı üçün katod stokiyometriyayası, kanal çıkışının %100 nisbi rütubəte ulaşacşəbəkəı şəgilde hesablanmışdır.

30 °C ortam temperaturunda 4,0 A/cm² tədqiqat noktası üçün kompressor çıkışı 374,8 K, təxminən 101,7 °C’dir. Bu hava eyni zamanda çox düşük nisbi rütubəte sahiptir. Buna görə sıxma artışı oksigen konsentrasiyasınu yükseltirken giriş havasını istiliktıp kurutmaktadır.

Teorik sərhəd axımı və oksigen diffuziyau

Bir boyutlu modelde sərhəd axımı:

\[ i_L=4FD\frac{C_B}{\delta} \]

bşəbəkəıntistilikyla hesablanmışdır. Oksijenin havadaki diffuziya əmsalı temperatur və basınca bşəbəkəlı kimi:

\[ D_{\mathrm{H_2O-O_2}} = 1{,}87\times10^{-10} \frac{T^{2{,}072}}{P_{\mathrm{atm}}} \]

şeklinde tətbiq edilmişdir. Basınç yükseldikçe oksigenin molar konsantrasyonu artmakta, lakin diffuziya əmsalı azalmaktadır. Tek fazalı model maye suyun məsamələri kapatmasını diqqəte almadığından gerçek üçölçülü nəticələri aydın biçimde yüksek tahmin etmiştir.

Kısa kanal bölümündeki sərhəd şərti

Gerçek kanal uzunluğu 120 mm olmasına rşəbəkəmen üçölçülü geometri yalnızca 0,6 mm uzunluğundadır. Aynı giriş sürətinı koruyabilmek üçün katod stokiyometriyayası:

\[ \xi_{\mathrm{corr,c}} = \frac{120}{0{,}6}\xi_c = 200\xi_c \]

şeklinde düzeltilmiştir. Bu nedenle kısa bölümde çox yüksek görünen bir stokiyometriya kullanılmaktadır. Bölüm katod girişine yerleştirildiği üçün axım sıxlığı değiştirilirken gaz debisi sabit tutulmuş, buna görə yerli katod stokiyometriyayası axım sıxlığıyla ters nisbəttılı olmuştur.

Anot tarafında tam kanal üçün stokiyometriya 1,05 kabul edilmiş; kısa kesitin anod çıkışına qarşılık geldiği varsayılarak düzeltilmiş yerli stokiyometriya 11 kimi tətbiq edilmişdir. Kısa bölümde qaz tərkibinin kanal doğrultusunda çox az değişmesi nedeniyle anod və katod axınşlarının eyni və ya ters yönde olması nəticələr açistilikndan əhəmiyyətsiz kabul edilmiştir.

Su sürüşməsi və membran quruması

Net su sürükleme katsayistilik:

\[ r_d= \frac{ \dot{n}_{w,\mathrm{an}}^{\mathrm{in}} - \dot{n}_{w,\mathrm{an}}^{\mathrm{out}} }{ I/F } \]

şeklinde diaqnozmlanmıştır. Doymuş hidrogen girişinde anod qurumadan sürdürülebiləcek maksimum sürükleme:

\[ r_{d,\mathrm{max}} = \frac{\xi_a}{2} \frac{p_{\mathrm{sat}}(T)} {p_{\mathrm{an}}-p_{\mathrm{sat}}(T)} \]

kimi hesablanmışdır. 80 °C’də doyma basıncı 47,415 kPa və anod basıncı 101,3 kPa alındığında \(r_{d,\mathrm{max}}=4{,}84\) bulunmuştur.

Membrandan geçen suyun kondensasiyası və yeniden buxarlanması mühüm bir gizli istilik tpeyəndr. \(r_d=0{,}5\) üçün sürüşmə qaynaqlı gizli istilik:

\[ \dot{q}_{\mathrm{drag}} = r_d\frac{I}{F} 41{,}580\ \mathrm{J/mol} \]

və 600 mV ekvivalent gərginlik kaybına dayanan atıq istilik:

\[ \dot{q}_{\mathrm{waste}}=I\times0{,}6\ \mathrm{V} \]

kimi ifade edilmiştir. İki dəyər arasındaki nisbət:

\[ \frac{\dot{q}_{\mathrm{drag}}} {\dot{q}_{\mathrm{waste}}} \approx0{,}36 \]

bulunmuştur. Bu hesap, suyun membrana girişi və çıkışındaki faza değişimi istiliksının hüceyrə termal dengesinde ihmal ediləmeyeceğini göstərir.

Akım sıxlığı arttıkça oksigen və temperatur nasıl değişmiştir?

Şegil 5’e görə katod katalizator qatmanındaki orta oksigen konsentrasiyası axım sıxlığı arttıkça müddətkli düşmüşdür. En keskin azalma 2–3 A/cm² arasında gerçekleşmiştir. Tədqiqatçılar bu qırılmayı tek fazalı axınştan maye su içeren çoxfazaalı axınşa geçişle ilişgiləndirmiştir.

Azami yerli temperatur eyni aralıkta yükselmiş, lakin artış məhdud qalmışdır. 4,0 A/cm²’də hüceyrə nominal 80 °C tədqiqat temperaturunın təxminən 2,5 °C üzerine çıkmıştır. Karbon lifli kâğıt istifadə edilən əvvəlki hesablamalarda bildirilən çox daha yüksək temperatur artışlarına kıyasla bu nəticə, metal lövhənın istilik yayma tutumsinin güclü olduğuna işaret etmektedir.

Membran hidrasyonu nasıl değişmiştir?

Şegil 6’da orta membran su tərkibi 1,0 A/cm²’də təxminən \(\lambda=7\), 2,0 A/cm²’də təxminən \(\lambda=10\) və 3–4 A/cm²’də təxminən \(\lambda=13–14\) düzeyindedir. Giriş nisbi rütubəti yalnızca %5 olmasına rşəbəkəmen yüksək təzyiq və reaksiya suyu membranı tamamen qurumaktan qorumuşdur.

Düşük axınmda net su sürükleme katsayistilik təxminən bire yaxınndır. Akım yükseldikçe katod tarafındaki rütubət və udulma terimi artmış, böylece elektro-osmotik sürükləmənin net etkisi azalmışdır. Sonuçlar, eyni kuru giriş şərtlərində hüceyrənin 2 A/cm² və üzərində çalışabilmesine qarşılık 1 A/cm² və altındaki yüklerde membranın yetersiz rütubətlenme riski tpeyənddığını göstərir.

4,0 A/cm² durumunda temperatur dşəbəkəılımı

Şegil 7’də metal GDL dəliklərindeki gaz temperaturunın çevredeki katı metalden biraz yüksek olduğu görülmektedir. Mikro məsaməli qat ilə kanal arasındaki temperatur qradiyentı, yaranan suyun bir bölümünün buhar fazaasında uzaklaştırılmasına yardım etmektedir.

Anot katalizator qatmanında elektrokimyəvi atıq istiliknın yanında ek bir istilik kaynşəbəkəı bulunmaktadır. Pozitif net su sürüşməsinde su anod tarafında membrana girerken kondensasiya və ya udulma istiliksı açığa çıqarmaktadır. Katot tarafında eyni su membrandan ayrılırken eşit böyüklükte bir soğutma terimi tətbiq edilmişdir.

Oksijen dşəbəkəılımı

Şegil 8, çox yüksek gaz debisi nedeniyle 0,6 mm’lik bölüm boyunca oksigen konsentrasiyasınun hemen hemen değişmediğini göstərir. Bunun əksinə kanal ilə katalizator qatmanı arasında güclü bir kalınlık doğrultusu qradiyentı vardır.

Metal levhanın açık dəlikləri üçünde oksigen konsentrasiyası təxminən homojendir. Asıl müqavimət, maye su içeren mikro məsaməli və katalizör qatlarında oluşmaktadır. Yaklpeyəndk 1,74 bar tədqiqat basıncı kanal oksigen konsentrasiyasınu artırsa da maye suyun məsamələri kısmen kapatması katalizör səthine tpeyəndnan oksigeni sınırlandırmıştır.

Bşəbəkəıl rütubət dşəbəkəılımı

Şegil 9’da katod kanalındaki nisbi rütubət, kuru giriş və yüksek gaz debisi nedeniyle çox düşüktür. Buna rşəbəkəmen məsaməli qatların üçünde nisbi rütubət təxminən bire ulaşmış və katı çıkıntıların altında yer yer doygunluğu aşmıştır.

Bu durum iki yönlü bir nəticə doğurmaktadır. Yüksek yerli rütubət membranın iyi hidratlanmasını sşəbəkəlarken eyni zamanda kondensasiyaya və maye su oluşumuna yol açmaktadır. Buna görə hüceyrənin düşük rütubətden korunması, yüksek axınmda su sıxması riskini beraberinde getirmektedir.

Sıvı su nerede birikmiştir?

Şegil 10, maye suyun böyük bölümünün açık dəliklərin üçünde değil, metal lövhənın katı çıkıntılarının altında biriktiğini göstərir. Delikler kuru qalırken mikroməsaməli qatman ilə katalizator qatmanında fərqli doyma seviyeleri yaranmışdır.

Katmanlar arasındaki doyma sıçraması; geçiramplituda, hidrofobiklik və azaldıla bilməyən doyma dəyərlərinin fərqlilığından mənbəlanmaktadır. Katalizör qatının reduktoremez doygunluğu mikroməsaməli qatmandan daha yüksek kabul edilmiştir.

Model bölümünün giriş və çıkış kenarlarında su birikimi orta bölgeden daha fazaladır. Özellikle çıkıştaki artış, gerçek bir kanal devamı yerine duvar sərhəd şərti kullanılmasından etgilənmiştir. Tədqiqatçılar bu yapay sınırın 5 A/cm² çözümündeki sayısal güclüğü artırmış olabiləceğini belirtmektedir.

Su istehsali ilə su birikimi eyni yerde midir?

Şegil 11’də ən yüksək lokal axım sıxlığı metal lövhənın açık dəliklərinin altında görülmektedir. Bu bölgelerde oksigen konsentrasiyası daha yüksektir və daha fazala reaksiya suyu üretilmektedir.

Bunun əksinə ən yüksək maye su birikimi katı çıkıntıların altında yaranmışdır. Buna görə en fazala suyun üretildiği bölge ilə suyun tpeyəndnım müqaviməti nedeniyle biriktiği bölge eyni değildir. Yerel həcmi axınm sıxlıqlarının ən yüksək və ən aşşəbəkəı dəyərləri arasında təxminən beş kat fark hesablanmışdır.

Membran üçündeki yerli su dşəbəkəılımı

Şegil 12, membran su tərkibinin metal GDL dəliklərinin altında daha düşük olduğunu göstərir. Bunun nedeni kuru kanal havasının bu noktalardan məsaməli qatlara birbaşa ulaşmasıdır.

Anot katalizator qatmanındaki elektrolit fazaası, pozitif net su sürüşməsi nedeniyle katod tarafındaki elektrolitten daha iyi hidratlanmıştır. Su tpeyəndnımının gerçek geçiş mekanizması modelde konsantrasyon farkına dayalı diffuziyadur; pozitif net sürükleme anodtan katoda toplam su aktarımına qarşılık gelmektedir.

Neden bir boyutlu model 10–11 A/cm² proqnozrken üçölçülü model 5–6 A/cm² göstərmişdir?

Bir boyutlu model yalnızca gaz fazaasındaki oksigen konsentrasiyasınu və idealize edilmiş diffuziya yolunu kullanmaktadır. Sıvı suyun məsaməli qatlarda birikmesini hesaba katmamaktadır. Bu nedenle yüksek basıncın sşəbəkəladığı oksigen artışını performansa birbaşa yansıtmıştır.

Üç boyutlu çoxaxışkanlı model isə reaksiya suyunun kondensasiyasını, kapilyar dpeyəndnımını və məsamələrde oluşturduğu həcmi engeli çözmektedir. Akım yükseldikçe oksigen tüketimi artmakla kalmamış, su istehsalı də artarak etkin gaz geçiş alanını küçültmüştür. Bu geri besleme nəzəri sərhəd axımını təxminən yarıya indirmiştir.

Tədqiqatın ana sonucu, metal lövhənın yüksek istilik ilətkenliğiyle termal sınırlamanın böyük ölçüde azaltılabiləceği; lakin su yönetiminin çözülmemesi hâlinde oksigen dpeyəndnımının yeni performans sınırı hâline geleceğidir.

Kompressor və nəmləndirmə problemu

Yüksek sıxma üçün gereken kompressor giriş havasını istiliktmaktadır. Kompressor çıkış temperaturu şu bşəbəkəıntıyla hesablanmışdır:

\[ T_{C,\mathrm{out}} = T_{C,\mathrm{in}} + \frac{T_{C,\mathrm{in}}}{\eta_s} \left[ \left( \frac{P_{C,\mathrm{out}}} {P_{C,\mathrm{in}}} \right)^{1-\frac{1}{\kappa}} -1 \right] \]

Modelde kompressor izentropik səmərəliliki %80 və hava üçün \(\kappa=1{,}4\) alınmıştır. Sıcaklık yükseldiğinde havanın tpeyəndyabiləceği doygun su buxarı miqdarı artar; eyni mutlak su miqdarıyla nisbi rütubət keskin biçimde düşer. Örneğin 20 °C’də %100 rütubətli hava, 80 °C’ye istiliktıldığında təxminən %5 nisbi rütubəte qarşılık gelebilir.

Membranlı nəmləndirici kompressorden əvvəl yerleştirilirse hava kompressorde yeniden istiliknır və nisbi rütubəti düşer. Kompressorden sonra yerleştirilirse çox sıcak və quru hava nəmləndirici membrana zarar verebilir. Tədqiqat həmçinin Nafion türü membranların maya dəyərii, nəzarət gecikmesi və per- və polifloroalgil maddeler içermesi gibi saxınncalara işaret etmektedir.

Püskürtmeli nəmləndirmə önerisi

Tədqiqatçılar, kompressorden sonra hava axınmına mikro miqyaste su damcıları püskürtülmesini təklif edir. Damlacıkların buxarlanması iki işlevi eyni anda sşəbəkəlayabilir:

• Buharlaşma gizli istiliksı sayesinde sıcak kompressor havasını soğutmak.
• Havaya su buxarı ekleyerek nisbi rütubəti yükseltmek.

Önceki bir buharlaştırmalı soyuducu tədqiqatsına dayanılarak tam buxarlanma üçün təxminən 25 µm çapındaki damcıcıkların araştırılabiləceği qeyd edilmişdir. Uygun çap; hava temperaturu, nisbi rütubət, damcıcık kalış müddəti, püskürtme geometrisi və hazne boyutuna bşəbəkəlıdır.

Bu püskürtmeli düzen mevcut yanacaq hüceyrəsi modeline dâhil edilmemiştir. Nozul sayistilik, damcı dşəbəkəılımı, duvar ıslanması, maye su tpeyəndnması, nəzarət dumantemi və enerji istehlaxın həmçinin incelenmelidir.

Şegillerin bilimsel mesajı

Tədqiqatın güclü yönleri

• Gaz və sıvı fazaaları ayrı korunum tənlikleriyle çözen çoxaxışkanlı bir model istifadə edilmişdir.
• Oksijen, su buxarı, maye su, temperatur və membran hidratasiyası eyni fiziksel çərçivəde dəyərləndirilmişdir.
• Metal levhadaki 100 µm dəliklər ekvivalent məsaməli mühit kimi basitleştirilmek yerine birbaşa şəbəkəda çözülmüştür.
• Bir boyutlu tek fazalı proqnoz ilə üçölçülü çoxfazaalı nəticə arasındaki fark açıklanmıştır.
• İstilik sınırlama ilə su və oksigen tpeyəndnım sınırlaması birbirinden ayrılmışdır.
• Membrandan su sürüşməsinin gizli istilik etkisi enerji tənlikine eklenmiştir.
• Akım sıxlığına bşəbəkəlı membran hidratasiyası və net su sürükleme eğilimleri sunulmuştur.
• Yerel axınm istehsali ilə maye su birikiminin fərqli bölgelerde oluştuğu göstərilmişdir.
• Sistem düzeyindeki kompressor istiliknması ilə hüceyrə içi rütubət yönetimi birlikte tartışılmıştır.

Tədqiqatın məhdudlıkları

• Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmiş preprintdir.
• Yalnızca 0,6 mm uzunluğunda çox kısa bir kanal bölümü modellenmiştir.
• Gerçek çıkış devamı yerine istifadə edilən duvar sınırı yerli su birikimini artırmış olabilir.
• 5 A/cm² çözümü sayısal güclük nedeniyle tamamlanamamış, ayrıntılı analiz 4 A/cm² ilə məhdud qalmışdır.
• Bu özel yüksək təzyiqlı metal GDL geometrisi üçün birbaşa eksperimental doğrulama sunulmamıştır.
• Sistematik şəbəkə müstəqilliyi və sayısal qeyri-müəyyənlik analizi məlumatlmemiştir.
• Akış laminar və sabit kabul edilmiştir; damcı hareketi, geçici su tıkaçları və kanal içi salınımlar çözülmemiştir.
• Yerel axım sıxlığı ayrıntılı elektrokimyəvi kinetik yerine oksigen konsentrasiyasına bşəbəkəlı ampirik bir ifadeyle hesablanmışdır.
• Aşırı gərginlik bütün tədqiqat noktalarında sabit alınmıştır.
• Elektro-osmotik sürükleme katsayistilik sabit kabul edilmiştir.
• Membran şişmesi, gaz çapraz geçişi, metal korroziyanı və örtük müqaviməti modellenmemiştir.
• Bipolar plakalar və anod mikroməsaməli qatmanı şəbəkəda çözülmemiştir.
• GDL dəlik aralığı və MPL istilik ilətkenliği üçün mətn içi uyumsuzluklar bulunmaktadır.
• Tamamlanmamış mənbə yer tutucusu və fərqli sürümde eklenmiş tekrar qrafikler belge nəzarətünün henüz tamamlanmadığını göstərir.
• Püskürtmeli nəmləndirmə yalnızca öneri düzeyindedir.

Tədqiqatın desteklediği nəticələr

• Delikli metal GDL, araşdırılan modelde yüksek axınm sıxlıqlarında hüceyrə içi temperatur artışını məhdudlaşdırır.
• Akım sıxlığı arttıkça reaksiya suyu membran hidratasiyasınu yükseltmektedir.
• Yaklpeyəndk 2–3 A/cm² bölgesinde model tek fazalı durumdan maye su içeren çoxfazaalı duruma geçmektedir.
• Sıvı su xüsusilə metal lövhənın katı çıkıntılarının altında birikmektedir.
• Su baskını oksigen dpeyəndnımını azaltarak ulpeyəndlabilir axım sıxlığınu tek fazalı teorik dəyərin altına indirmektedir.
• Bir boyutlu model təxminən 11 A/cm² proqnozrken çoxfazaalı nəticələr təxminən 5–6 A/cm² bölgesine işaret etmektedir.
• Giriş havasının rütubət gereksinimi axım sıxlığına bşəbəkəlıdır; eyni kuru giriş şərtu bütün yük aralığı üçün uygun değildir.
• Kompressor çıkışındaki sıcak və quru hava yanacaq hüceyrəsi nəmləndirməsini zorlaştırmaktadır.

Tədqiqatın kanıtlamadığı nəticələr

• Tədqiqat gerçek bir yanacaq hüceyrəsinin eksperimental kimi 5–6 A/cm² axım sıxlığında sabit çalıştığını sübut etmir.
• Metal GDL’nin qarbon lifli bütün GDL türlerinden üstün olduğunu göstermemektedir.
• Metal levhanın korroziya, mexaniki yorulma, örtük ömrü və ya uzun müddətli elektriksel temas performansını dəyərləndirməmektedir.
• Yaklpeyəndk 2,5 °C temperatur artışı bütün hüceyrə geometriləri və yığın tasarımları üçün geçerli değildir.
• Püskürtmeli su dumanteminin membranlı nəmləndiriciden daha səmərəlilikli, hafif və ya inamılir olduğu eksperimental kimi gösterilmemiştir.
• Tek hüceyrədeki kısa kanal sonucu birbaşa uçak, tpeyəndt və ya megavat miqyaslı yanacaq hüceyrəsi yığınına aktarılamaz.
• Sayısal çözüm, gerçek dumantemin güç sıxlığı, hüceyrə gərginliki, səmərəliliki və ya köməkçi dumantem enerji istehlaxınni hesablamamaktadır.
• Tədqiqat təhlükəsizlik, sertifikasyon və ya kommersiya tətbiq oluna bilənlik dəyərləndirməsi sunmamaktadır.

Tədqiqatın Yöntemi və Bulguları

Teknik üsul özeti

Akım sıxlığına bşəbəkəlı ana nəticələr

4,0 A/cm² ayrıntılı çözümünün tapıntıları

• Tədqiqat basıncı təxminən 1,74 bar düzeyindedir.
• Metal GDL nedeniyle maksimum temperatur artışı təxminən 2,5 °C ilə məhdud qalmışdır.
• Katot kanalında nisbi rütubət çox düşük, məsaməli qatlarda təxminən %100 və ya daha yüksektir.
• Metal levha dəlikləri böyük ölçüde kuru qalmışdır.
• Sıvı su, başlıca metal lövhənın katı çıkıntılarının altındaki MPL və katalizator qatmanında birikmiştir.
• Oksijen konsantrasyonu kanal boyunca təxminən sabit, kalınlık doğrultusunda güclü qradiyentlıdır.
• En yüksek lokal axım sıxlığı açık dəliklərin altında yaranmışdır.
• En düşük yerli axınm sıxlıqları su birikiminin yüksek olduğu katı çıkıntı altlarında görülmüştür.
• Membran su tərkibi quru hava erişiminin güclü olduğu dəlik altlarında yerli kimi daha düşüktür.
• Anot tarafındaki elektrolit fazaası pozitif net su sürüklemesi nedeniyle katod tarafına görə daha iyi hidratlanmıştır.

Bir və üçölçülü model müqayisəsı

Genel bilimsel dəyərləndirmə

Tədqiqat, yüksek axınm sıxlıqlu PEM yaxınt hüceyrələrinin tek bir material özelliğiyle iyiləştiriləmeyeceğini göstərir. Metal qaz diffuziya qatmanının yüksek istilik ilətkenliği, qarbon lifli kşəbəkəızla ilişgiləndirilən yerli peyəndrı istiliknmayı mühüm ölçüde azaltmışdır. Lakin eyni metal strukturnın düzenli və daha düşük toplam məsaməliliği, xüsusilə katı çıkıntıların altındaki suyun uzaqlaşdırılmasını tek bpeyəndna çözmemiştir.

Performansın yükseltilmesi üçün dəlik diametri, dəlik sıxlığı, kanal-katı çıkıntı düzeni, mikroməsaməli qatman geçirgenliği, hidrofobiklik və azaldıla bilməyən doyma birlikte optimallaşdırmaq edilmelidir. Deliklerin yalnızca oksigen giriş noktası kimi değil, temperatur və yerli rütubət dşəbəkəılımını şəgillendiren unsurlar kimi dəyərlendirilmesi lazımdır.

Tədqiqatın dumantem düzeyindeki mühüm mesajı, hüceyrə üçündeki su yönetiminin kompressor və nəmləndirmə dumantemiyle ayrı düşünülemeyeceğidir. Yüksek sıxma oksigen konsentrasiyasınu artırırken havayı istiliktıp kurutmakta; düşük yükte membran quruması, yüksek yükte isə məsaməli qat su sıxması oluşturabilmektedir. Bu nedenle giriş rütubəti axım sıxlığına görə etkin biçimde nəzarət edilmelidir.

Sonuçlar dəlikli metal GDL yaklpeyəndmının araşdırmaya dəyər olduğunu göstərir; lakin mevcut tədqiqat henüz tasarım doğrulaması değildir. Tam kanal uzunluğu, gerçek elektrokimyəvi polarizasiya, dinamik yük değişimleri, metal korroziyanı, eksperimental su dşəbəkəılımı və püskürtməli nəmləndirmənin yardımcı güc istehlaxın birlikte incelenmeden kommersiya dumantem performansı hakkında kesin nəticə çıqarılamaz.

Mənbə və Metod Qeydi

Tədqiqatın tam özgün adı: A Computational Fluid Dynamics Analyduman of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell with a Perforated Metal Gas Diffusion Layer

Yazarlar və ardıcıllıqları: Torsten Berning; Volodymyr Korobko; Shiro Tanaka.

Eş birinci müəllif: Eşit töhfə və ya eş birinci müəlliflık bilgisi tədqiqatda yer almamaktadır.

Sorumlu müəllif: Torsten Berning. Tədqiqatda ilətişim adresi tbe@et.aau.dk kimi məlumatlmiştir.

Yazar-qurum eşleşmeleri:

• Torsten Berning: AAU Energy, Aalborg University, Pontoppidanstr. 111, Aalborg, 9920, Danimarka.
• Volodymyr Korobko: National University of Shipbuilding, Heroes of Ukraine Avenue 9, Mykolaiv, 55007, Ukrayna.
• Shiro Tanaka: Hydrogen South Africa – Catalyduman, University of Cape Town, Rondebosch, Cape Town, 21000, Güney Afrika.

SSRN kayıt özetinde Volodymyr Korobko’nun qurumu daha geniş biçimiyle “Admiral Maqarov National University of Shipbuilding” kimi görünmektedir. Ana içerikte qurum adı tədqiqatın müəllif satırında məlumatldiği biçimde saxlanmışdır.

DOI: 10.2139/ssrn.7201556

Qaynaq türü: Hesaplamalı axışkanlar dinamiği, çoxfazaalı tpeyəndnım və sayısal modelleme preprint araşdırma makalesi.

Yayın platformau: SSRN.

Dergi: Hakemli bir jurnal adı və ya yayımlanmış jurnal sürümü bu tədqiqatda yer almamaktadır.

Yayınevi: Ayrı bir jurnal nəşriyyat belirtilmemiştir; tədqiqat SSRN preprint kaydı kimi sunulmuştur.

Yayın yılı: 2026.

Hakemlik durumu: Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmişdir. Her sayfada “Preprint not peer reviewed” uyaristilik bulunmaktadır.

Resmî kayıt:SSRN rəsmi kayıt sayfası

DOI keçidsı:10.2139/ssrn.7201556

Finansman: Yazarlar tədqiqatın herhangi bir maliyyələşmə almadığını belirtmiştir.

Çıqar çatışması: Ayrı bir maraqlar toqquşması beyanı bu sürümde yer almamaktadır.

Veri və kod kullanılabilirliği: Veri deposu, kod deposu və ya yeniden üretiləbilir simulyasiya dosyası keçidsı tədqiqatda məlumatlmemiştir.

Yazar töhfəları:

• Torsten Berning: Kavramsallaştırma, üsul, biçimsel analiz, ilk taslak yazımı, gözden geçirme və düzenleme.
• Volodymyr Korobko: Biçimsel analiz, gözden geçirme və düzenleme.
• Shiro Tanaka: Yöntem, biçimsel analiz, gözden geçirme və düzenleme.

Bu Türkçe açıklama, yüklenen 33 sayfalık dosyanın ana metni, 36 numaralı tənliki, üç cədvəlsu, Şegil 1–12’si və tam sayfa görsel tekrarları incelenerek hazırlanmışdır. Bilimsel içerik yalnızca tədqiqatda sunulan model, dəyər, şəgil və yorumlara dayanmaktadır. Dış mənbəlar yalnızca DOI, SSRN kayıt kimliği və bibliyoqrafik müəllif bilgilərinin doğrulanması amacıyla istifadə edilmişdir.

Dosyanın 30–31. sayfalarında Şegil 6’nın, 32–33. sayfalarında Şegil 5’in birbirinden kiçik sayısal fərqlilıklar içeren iki sürümü bulunmaktadır. Ana mətnde istifadə edilən qrafikler bilimsel anlatımın birincil sürümü kabul edilmiştir. Delik aralığı üçün məlumatlen 0,414 mm və 42,4 µm dəyərləri, bir və üçölçülü modellerdeki fərqli MPL istilik keçiricilikleri və tamamlanmamış mənbə yer tutucusu sessizce düzeltilmemiştir.

Tədqiqatın nəticələri; kısa hesablama alanı, basitleştirilmiş elektrokimya, birbaşa eksperimental doğrulama əskikliği, dumantematik şəbəkə müstəqilliyi sunulmaması və 5 A/cm² çözümünün tamamlanamaması diqqəte alınarak yorumlanmalıdır. Yaklpeyəndk 5–6 A/cm² sərhəd axımı, eksperimental kimi doğrulanmış bir işletme garantisi değil, modelin su sıxması və oksigen dpeyəndnımı varsayımları altında yaptığı bir proqnozdür.