PEM su elektrolizatorlarında məsaməli nəql təbəqəsi (PTL) katalizator təbəqəsi ilə axın sahəsi lövhəsi arasında elektrik və istilik ötürülməsini təmin etməklə yanaşı, suyun reaksiya zonasına çatması və yaranan qazların uzaqlaşdırılması üçün əsas nəql yolunu təşkil edir. Bu tədqiqatda klassik şaquli məsamələr əvəzinə axın istiqamətində bir-birinə simmetrik iki maili kanaldan ibarət yeni PTL həndəsəsi araşdırılmışdır. Məqsəd yalnız axın müqavimətini azaltmaq deyil; maye təchizatını, qabarcıqların çıxarılmasını, bərk–maye sərhədində istilik ötürülməsini və termomexaniki dayanıqlığı eyni mikrohəndəsədə tarazlaşdırmaqdır.

Simmetrik ikiqat maili dizaynda iki əsas parametr dəyişdirilmişdir: meyil bucağı \(\theta=30°,45°,60°,75°\) və iki maili məsamə arasındakı üst-üstə düşmə sahəsinin nisbəti \(\beta=14,43\%,39,10\%,68,50\%,100,00\%\). Məsamə diametri 0,8 mm, kanal eni 1 mm, kanal hündürlüyü 1 mm, qabırğa eni 1 mm və PTL qalınlığı 1 mm olaraq sabit saxlanmışdır. Şaquli məsamə ilə müqayisə \(\theta=90°\) həndəsəsi əsasında aparılmışdır.

Nəticələr ikiqat maili divarların əsas axını aşağı yönəldərək məsamə boyunca davam edən konvektiv yol yaratdığını göstərir. Şaquli məsamədə isə qapalı dövrəli burulğanlar və aşağı sürətli durğunluq sahələri yaranmışdır. Qabarcıq təcrübəsində 30°-dən 45°-yə keçid böyük qabarcıqların məsamə çıxışından xaric edilmə nisbətini təxminən %52-dən %77-yə yüksəltmişdir.

İstilik ötürülməsi baxımından bütün ikiqat maili strukturlar müvafiq şaquli məsamələrdən daha yüksək orta divar istilik seli yaratmışdır. \(\theta\)-nın 30°-dən 75°-yə yüksəlməsi istilik seli paylanmasının bərabərliyini təxminən %26 yaxşılaşdırmışdır. \(\beta\)-nın 14,43%-dən 100%-ə artırılması da bərabərliyi nəzərəçarpacaq dərəcədə artırmış və yüksək istilik selinə malik divar sahəsinin nisbətini təxminən %29 yüksəltmişdir.

Mexaniki analiz maili məsamələrin bəzi həndəsələrdə məsamə kənarında daha yüksək yerli gərginlik konsentrasiyaları yarada bildiyini, əvəzində güclənmiş konvektiv soyutmanın temperatur fərqini və ümumi termal yükü azaltdığını göstərir. Bütün ikiqat maili konfiqurasiyalarda maksimum yerdəyişmə müvafiq şaquli məsamələrdən aşağı olmuşdur. Buna görə tədqiqat vahid optimal bucaq təklif etməkdən çox, termal, hidravlik və mexaniki tələblərin birlikdə optimallaşdırılmalı olduğunu ortaya qoyur.

PTL niyə PEM elektrolizatorunun kritik komponentlərindən biridir?

PEM su elektrolizində reaksiya zonasına fasiləsiz su çatdırılması və yaranan qazların sürətlə uzaqlaşdırılması lazımdır. PTL bu nəql prosesləri ilə yanaşı katalizator təbəqəsi ilə axın sahəsi arasında elektrik və termal əlaqəni də təmin edir. Məsamələrdə oksigen toplanması qaz tıxanmasına, konsentrasiya polyarlaşmasına və səmərəliliyin azalmasına səbəb ola bilər. Yerli su çatışmazlığı isə katalizator təbəqəsində quruma və geri dönməz zədələnmə riski yarada bilər.

Termal baxımdan da bərabərlik vacibdir. Axın kanalının aşağı axın hissəsində su isindikcə soyutma qabiliyyəti azala və yerli isti nöqtələr yarana bilər. Təkrarlanan işəsalma–dayandırma və ya dəyişən yüklə işləmə zamanı bu temperatur qradiyentləri termal genişlənmə və mexaniki yorulma ilə birləşə bilər.

Simmetrik ikiqat maili məsamə strukturu necə işləyir?

Yeni həndəsədə iki maili məsamə maye axını istiqamətində bir-birinə simmetrik yerləşdirilmişdir. Kanala yuxarıdan baxdıqda iki məsamə CL–PTL səthinin müəyyən sahəsində üst-üstə düşür. Bu üst-üstə düşmə \(\beta\), məsamə oxunun üfüqi/şaquli yönümü isə \(\theta\) ilə idarə olunur. Maili divarların məqsədi əsas axını qəfildən 90° döndərmək əvəzinə daha yumşaq şəkildə katalizator təbəqəsinə yönəltmək, sonra reaksiyaya girməmiş suyu və qazı ikinci maili kanaldan yenidən əsas axına daşımaqdır.

Mənbənin Şəkil 1-indəki həndəsə xüsusilə aydın izah verir: ikiqat maili struktur öndən baxıldıqda V-yə bənzər əlaqəli kanal yaradır, şaquli istinad modelində isə iki ayrı silindrik dəlik var. \(\beta=14,43\%,39,10\%\) və \(68,50\%\) modellərində CL–PTL səthindəki iti kənarlar ədədi gərginlik sinqulyarlığını azaltmaq üçün 0,05 mm radiusla yuvarlaqlaşdırılmışdır.

Termal-hidravlik tənliklər

Axın sahəsində kütlənin saxlanması:

\[ \frac{\partial\rho}{\partial t}+ \frac{\partial(\rho u_i)}{\partial x_i}=0 \tag{1} \]

İmpuls tənliyi:

\[ \rho\frac{\partial u_j}{\partial t} +\rho u_i\frac{\partial u_j}{\partial x_i} = -\frac{\partial p}{\partial x_j} + \frac{\partial}{\partial x_i} \left[ \mu \left( \frac{\partial u_j}{\partial x_i} + \frac{\partial u_i}{\partial x_j} \right) -\frac{2}{3}\mu \frac{\partial u_k}{\partial x_k}\delta_{ij} \right] +F_j \tag{2} \]

Mayenin enerji tənliyi:

\[ \rho C_P\frac{\partial T}{\partial t} + \rho C_Pu_i\frac{\partial T}{\partial x_i} - \frac{\partial}{\partial x_i}(\lambda\nabla T) = Q \tag{3} \]

və özlülüklə bağlı enerji mənbəyi:

\[ Q=\tau_{ij}\frac{\partial u_i}{\partial x_j} \tag{4} \]

şəklində modelləşdirilmişdir.

Bərk PTL-də istilikkeçirmə:

\[ -\frac{\partial}{\partial x_i} (\lambda\nabla T) = Q_1+Q_2 \tag{5} \]

şəklindədir. \(Q_1\) Coul istilənməsini, \(Q_2\) xarici mühitlə konvektiv istilik mübadiləsini təmsil edir.

Coul istilik mənbəyi:

\[ Q_1=\mathbf{J}\cdot\mathbf{E} \tag{6} \]

\[ \mathbf{J}=\xi\mathbf{E} \tag{7} \]

və:

\[ Q_1=\frac{J^2}{\xi} \tag{8} \]

əlaqələri ilə hesablanmışdır.

Mexaniki model

Bərk strukturdakı normal və sürüşmə gərginlikləri mexaniki tarazlıq, deformasiya–yerdəyişmə əlaqəsi və ümumiləşdirilmiş Huk qanunu ilə hesablanmışdır. Termal genişlənmə birbaşa materialın davranış əlaqəsinə əlavə edilmişdir:

\[ \varepsilon_x = \frac{1}{E} [\sigma_x-\eta(\sigma_y+\sigma_z)] +\alpha\Delta T \]

\[ \varepsilon_y = \frac{1}{E} [\sigma_y-\eta(\sigma_x+\sigma_z)] +\alpha\Delta T \]

\[ \varepsilon_z = \frac{1}{E} [\sigma_z-\eta(\sigma_x+\sigma_y)] +\alpha\Delta T \tag{12} \]

Bu hədlərə görə axın və istilik ötürülməsindəki hər həndəsi dəyişiklik mexaniki həllə də birbaşa təsir edir: daha yaxşı soyutma daha kiçik \(\Delta T\) və bununla daha zəif termal genişlənmə səbəbi deməkdir.

COMSOL sərhəd şərtləri

Hesablama torundan asılı olmama

Şaquli məsaməli təmsilçi modeldə 408.013, 594.301, 796.549 və 1.409.323 element müqayisə edilmişdir. 594.301-dən daha sıx torlara keçdikdə orta konvektiv istilikötürmə əmsalı, kanal təzyiq düşümü və həcm üzrə ortalanmış ekvivalent gərginlik dəyişiklikləri %1-dən aşağı qalmışdır. Buna görə bütün həndəsə müqayisələrində 594.301 element səviyyəsində tor strategiyası istifadə edilmişdir.

Model təcrübə ilə necə təsdiqləndi?

Axın modeli real PEM elektrolizator qurğusunda anod PTL-si üzrə ölçülən təzyiq düşümü ilə yoxlanmışdır. 80 °C və ətraf mühit təzyiqində aparılmış təzyiq düşümü təcrübəsində anoda 18 ml/dəq su verilmişdir. İkiqat maili struktur üçün təcrübə 26,57 Pa, simulyasiya 25,98 Pa; şaquli struktur üçün təcrübə 24,43 Pa, simulyasiya 23,90 Pa vermişdir. Mənbə hər iki yayınmanın %5-dən aşağı olduğunu bildirərək axın modelini məqbul səviyyədə təsdiqləyir.

Qabarcıq hərəkəti həmçinin 80 °C, ətraf mühit təzyiqi və 50 ml/dəq anod su sərfində 2.000 fps yüksək sürətli kamera ilə qeydə alınmışdır.

Struktur millimetr miqyasında olduğundan birbaşa mexaniki təcrübə aparılmamışdır. Müəlliflər tenzometrin yerləşdirilməsini, yükləmə dəqiqliyini və sərhəd şərtlərinə nəzarəti əsas eksperimental çətinliklər kimi göstərirlər. Buna görə mexaniki model iki dairəvi dəlikli lövhə üçün analitik gərginlik konsentrasiyası meyilləri ilə müqayisə edilmişdir. Deməli, mexaniki təsdiqin sübut səviyyəsi axın təsdiqindən aşağıdır.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Qabarcıqlar niyə bəzən məsamənin girişindən geri çıxır?

Tədqiqatın sadələşdirilmiş qüvvə modelinə görə məsamədəki böyük qabarcığa əsasən su axınının sürükləmə qüvvəsi və kanaldakı təzyiq qradiyenti təsir edir. Model qabarcığın çəkisini, qaldırıcı qüvvəni, detallı sərhəd təbəqələrini və nizamsız qabarcıq formalarını nəzərə almadan qabarcığı kürəvi qəbul edir.

İki maili dəliyin birləşmə sahəsi qabarcıqdan dar olduqda qabarcıq bu dar keçidi aşa bilmir. Məsamə kanalında təzyiq artdıqca təzyiq qradiyenti suyun sürükləmə qüvvəsini üstələyə və qabarcığı məsamənin girişinə doğru geri itələyə bilər.

Meyil bucağının qabarcıq çıxarılmasına təsiri nədir?

\(\beta=14,43\%\) şəraitində 30° və 45° həndəsələr müqayisə edildikdə 30° struktur əsas axını daha yumşaq yönəldir, lakin məsamədəki nəql yolu uzundur. 45° struktur daha güclü burulğanlar yaratsa da, yol qısalır və qabarcıqların çıxışa yönəldilməsi güclənir. Nəticədə böyük qabarcıqların məsamə çıxışından xaric edilmə nisbəti təxminən %52-dən %77-yə yüksəlmişdir.

30° strukturda böyük qabarcığın girişdən boşalma müddəti təxminən 2 ms ikən 45° strukturda güclü burulğan səbəbindən təxminən 150 ms-ə yüksəlmişdir. Bu, ilk baxışda 45°-nin əlverişsiz görünməsinə səbəb ola bilər; lakin eyni struktur daha qısa kanal sayəsində böyük qabarcıq yaranmasını azaltmış və ümumilikdə çıxış istiqamətində xaric edilməni nəzərəçarpacaq dərəcədə artırmışdır.

Hidravlik sahə

Şaquli məsamələrdə qapalı dövrəli burulğanlar, məsamə dibində aşağı sürət və durğunluq sahələri yaranmışdır. İkiqat maili məsamələrdə isə divarlar əsas axını kanal boyunca yönəldərək mayenin katalizator təbəqəsinin yaxınlığına çatmasını təmin etmişdir.

\(\theta\) 30°-dən 75°-yə artırıldıqda məsamənin giriş kənarındakı xarakterik sürət müvafiq olaraq təxminən 0,30; 0,21; 0,21 və 0,20 m/s verilmişdir. Kiçik bucaq suyun əsas axından daha yumşaq ayrılmasına imkan verir.

\(\beta\) artdıqca iki maili kanal arasındakı birləşmə sahəsi genişlənmiş, müqavimət azalmış və yüksək sürətli axın sahəsi böyümüşdür.

İkiqat maili strukturların mütləq təzyiq düşümü müvafiq şaquli modellərdən bir qədər yüksəkdir. Bunun müqabilində məsamədaxili su yenilənməsi və qabarcıqların çıxarılması yaxşılaşır. \(\theta\) və ya \(\beta\) artdıqca bu təzyiq düşümü fərqi kiçilir.

İkiqat maili məsamə istilik ötürülməsini necə yaxşılaşdırır?

Şaquli məsamənin daxilində sürətin sıfıra yaxınlaşdığı sahələr yüksək temperaturlu sahələrlə üst-üstə düşür. Bu, durğunluq səbəbindən istiliyin toplanmasına işarə edir. İkiqat maili həndəsədə isə maye əsas kanaldan CL istiqamətinə, sonra yenidən əsas axına daşınaraq fasiləsiz konvektiv soyutma yolu yaradır.

PDF-nin 19. və 33. səhifələrindəki temperatur xəritələrində ikiqat maili məsamə sahələri daha geniş mavi/aşağı temperaturlu sahələr göstərir. İstilik seli vektorları maili divar boyunca yönəldiyi halda, şaquli məsamədə bərk material daxilində istilikkeçirmə üstünlük təşkil edir və məsamədaxili konvektiv töhfə daha məhduddur.

Meyil bucağı və yerli temperatur

\(\beta=14,43\%\) sabit olduqda 45°-dən 60°-yə keçid məsamə sahəsində mayenin CL-yə çatma məsafəsini qısaldaraq yerli soyutmanı yaxşılaşdırmışdır. Lakin 60°-dən 75°-yə keçiddə əsas axınla divar arasındakı daha kəskin bucaq güclü resirkulyasiya yaradaraq məsamənin giriş kənarında istilik ötürülməsini zəiflətmişdir.

90° şaquli modeldə bu problem ən qabarıq olmuş və məsamə kənarı ətrafında yerli yüksək temperaturlar yaranmışdır. Buna görə \(\theta\) baxımından termal göstəricilər monoton “nə qədər yüksək, o qədər yaxşı” davranışı göstərmir.

Üst-üstə düşmə nisbəti və yerli temperatur

\(\theta=30°\) sabit olduqda \(\beta=14,43\%\) məsamə kənarında və məsamə sahəsində ən yüksək yerli temperaturlardan bəzilərini yaratmışdır. 39,10% və 68,50% qiymətləri birləşmə sahəsini genişləndirərək müqaviməti azaltmış və soyutmanı gücləndirmişdir.

\(\beta=100\%\) olduqda isə iki kanal tam birləşmiş və aradakı dar “boyunlaşma” həndəsəsi itmişdir. Bu hal yanal axın pozulmasını azaldaraq bəzi yerli sahələrdə 39,10% və 68,50% qədər yaxşı soyutma təmin etməmişdir.

İstilik seli göstəriciləri

Burada:

\[ \phi= \frac{q_{max}-q_{ave}}{q_{ave}} \tag{16} \]

olduğundan daha aşağı \(\phi\) daha bərabər istilik seli paylanmasını təmsil edir.

Yüksək istilik selinə malik sahənin faizi:

\[ \psi= \frac{S-S_{q,ave}}{S}\times100\% \tag{17} \]

ilə müəyyən edilmişdir.

\(\theta=30°\rightarrow75°\) dəyişməsində \(\phi\) 6,46-dan 4,76-ya enmiş və mənbə təxminən %26 bərabərlik artımı bildirmişdir. \(\beta=14,43\%\rightarrow100\%\) dəyişməsində \(\phi\) 6,46-dan 4,60-a enərkən \(\psi\) %36,72-dən %47,41-ə yüksəlmişdir.

Daha yaxşı soyutma mexaniki möhkəmliyə necə təsir edir?

Maili kanal həndəsəsi mexaniki baxımdan iki əks təsir yaradır. Həndəsi kəsilməzliyin pozulması və mürəkkəb yük yolu məsamə kənarı ətrafında yerli gərginlik konsentrasiyasını artıra bilər. Əvəzində daha güclü konvektiv soyutma temperatur fərqini və termal genişlənməni azaldır. Nəticədə bəzi ikiqat maili strukturlarda pik gərginlik yüksək olsa belə, həcm üzrə/orta mexaniki yük şaquli istinad modelindən aşağı ola bilər.

\(\beta\) 14,43%-dən 100%-ə artdıqca birləşmə sahəsinin genişlənməsi soyutmanı gücləndirmiş və orta ekvivalent gərginlik ümumilikdə azalmışdır. \(\theta=30°,\beta=100\%\) halında iki məsamə tam üst-üstə düşərək elliptik açıqlığa çevrilmiş; həndəsənin kəskin dəyişməsi azalmış və həm gərginlik konsentrasiyası, həm də orta ekvivalent gərginlik şaquli dairəvi məsamədən aşağı olmuşdur.

Bütün ikiqat maili modellərin maksimum yerdəyişməsi müvafiq şaquli strukturlardan aşağıdır. Normallaşdırılmış nəticələr təxminən 0,97-dən 0,87-yə qədər qiymətlər göstərir. Mənbə bunu daha az termal genişlənmə, daha sabit CL–PTL təmas təzyiqi və uzunmüddətli yorulma baxımından müsbət əlamət kimi şərh edir. Bununla belə, uzunmüddətli yorulma ömrü bu tədqiqatda real dövri təcrübə ilə ölçülməmişdir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi və dəstəkləmədiyi nəticələr

Buna görə tədqiqatın ən güclü nəticəsi “ikiqat maili dəlik mütləq ən yaxşı PTL-dir” fikri deyil, PTL mikrohəndəsəsinin axın, qabarcıq, istilik və mexaniki sahələri eyni vaxtda dəyişdirdiyinin və dizaynın bu sahələr birlikdə nəzərə alınaraq hazırlanmalı olduğunun ədədi və qismən eksperimental şəkildə göstərilməsidir.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat: Thermal-hydraulic-mechanical coupling analysis of porous transport layer with symmetrical double-inclined pores: balancing transport, heat transfer and mechanical properties

Müəlliflər: Zongqi Liu; Ximing Wang; Jingjie Ren; Siqi Yang; Weicheng Sun; Yubin Mu; Guiqiang Deng; Mingshu Bi.

Məsul müəllif: Jingjie Ren.

Yüklənmiş mənbənin vəziyyəti: Elmi rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmiş SSRN ön nəşri.

SSRN identifikatoru qeydi: Yüklənmiş PDF-nin alt məlumatında abstract=6899787 görünsə də, SSRN-nin cari başlıq qeydində 6899786 göstərilir. Bu fərq mənbə qeydləri arasındakı uyğunsuzluq kimi saxlanmışdır.

Cari jurnal qeydi: International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 271, Part 2, Article 129420, 15 December 2026.

Jurnal DOI-si: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129420.

Əsas üsul: COMSOL Multiphysics 6.3 ilə əlaqələndirilmiş qeyri-izotermik axın, bərk–maye qoşalaşmış istilik ötürülməsi, Coul istilənməsi, termal genişlənmə və mexaniki gərginlik analizi.

Eksperimental təsdiqləmə: PEM su elektrolizatorunda təzyiq düşümü sınağı və yüksək sürətli qabarcıq görüntüləməsi. Mexaniki nəticələr birbaşa eksperimental deformasiya ölçməsi ilə təsdiqlənməmişdir.

Əsas materiallar: Ədədi modeldə bərk material 316L paslanmayan polad, axıcı mühit sudur.

İş şəraiti: Modelin giriş/istinad temperaturu 353,15 K, xarici mühit 358,15 K; 2 A cm⁻² Coul istiliyi ekvivalenti; suyun giriş sürəti 0,3 m s⁻¹.

Maliyyələşdirmə: Science and Technology Projects of Liaoning, Grant 2023JH2/101700281.

Verilənlərin əlçatanlığı: Mənbə verilənlərin sorğu əsasında təqdim ediləcəyini bildirir.

Maraqlar toqquşması/patent: Jingjie Ren, Zongqi Liu, Weicheng Sun və Mingshu Bi simmetrik ikiqat maili PTL məsamə strukturu ilə əlaqəli patent müraciətləri bildirmişlər. Çin patent müraciəti CN121407115A Dalian University of Technology tərəfindən verilmişdir.

Əsas təsdiqləmə sərhədi: Axındakı təzyiq düşümü birbaşa təcrübə ilə təsdiqlənmişdir. Termal sahə ədəbiyyatda gözlənilən meyillərlə müqayisə edilmişdir. Mexaniki sahə isə birbaşa təcrübə əvəzinə analitik gərginlik konsentrasiyası meyilləri ilə yoxlanmışdır.

Fiziki modelin sərhədi: Əsas COMSOL modeli sıxılmayan laminar su axını və əlaqələndirilmiş istilik/mexaniki həlldir. Qabarcıq davranışı ayrıca yüksək sürətli təcrübə və sadələşdirilmiş qüvvə modeli ilə araşdırılmışdır; tədqiqat tam, zamandan asılı qaz–maye sərhədinin həllinə əsaslanan əhatəli ikifazalı CFD modeli təqdim etmir.

İstehsal məhdudiyyəti: Tədqiqat strukturun məsaməli nəql elektrodlarında tətbiq potensialını göstərir; uzunmüddətli hüceyrə yığını sınağı, seriyalı istehsal toleransları, xərc, korroziya və real istismar ömrü əhatəli şəkildə təsdiqlənməmişdir.

Təsvirin yenidən çəkilməsi qeydi: Verianla üçün ən güclü orijinal kompozisiya solda şaquli məsamədə burulğan + qabarcıq tutulması + isti nöqtə, mərkəzdə simmetrik ikiqat maili V-kanalında istiqamətləndirilmiş su/qabarcıq axını, sağda aşağı temperatur və azalmış deformasiya; alt zolaqda \(\theta\), \(\beta\), %52→%77 qabarcıq çıxarılması və istilik selinin bərabərliyində %26 yaxşılaşma olacaqdır.