Академиялык изилдөөлөр, түшүнүктүү тил

Verianla | Кыргызча академиялык изилдөөлөр жана илим

27 сентябрь 2026, Жекшемби
VERİANLAКөз карандысыз илимий басма
Менюну ачуу же жабуу
...
Башкы бет / Колдонмо илимдер / Инженерия / Тешиктүү металл газ диффузия катмарлуу PEM отун клеткасындагы жогорку ток чеги: ысып кетүүдөн көбүрөөк суу басуу аныктоочу болушу мүмкүн
Инженерия

Тешиктүү металл газ диффузия катмарлуу PEM отун клеткасындагы жогорку ток чеги: ысып кетүүдөн көбүрөөк суу басуу аныктоочу болушу мүмкүн

Бул изилдөө протон алмашуу мембраналуу отун клеткасынын катод тарабында салттуу көмүртек булалуу кагаздын ордуна 100 µm диаметри бар тешиктери бар ичке металл баракты колдонуу жылуулукка, кычкылтекке жана суу ташылышына кандай таасир этерин үч өлчөмдүү жана көп фазалуу эсептөөчү агым динамикасы модели менен изилдеген.

03/08/2026  Veri Anla 30 көрүү
Тешиктүү металл газ диффузия катмарлуу PEM отун клеткасындагы жогорку ток чеги: ысып кетүүдөн көбүрөөк суу басуу аныктоочу болушу мүмкүн

Бул изилдөө, протон алмашуу мембраналуу бир отун клеткасынын катод тарафында геленексел көмүртек булалуу кагаз йерине 100 µм чапында тешиктере сахип инже бир металл барак кулланылмасынын жылуулук, кычкылтек ве суу ташылышыны насыл еткменендигини үч өлчөмдүү ве көп фазалуу эсептөөчү агым динамикасы модельийле изилдеген. Метал газ диффузия катмарынын жылуулук мененткенлиги 20 W/(м·К), салыштыруу амажыйла колдонулган көмүртек булалуу газ диффузия катмарынынки болсо 0,5 W/(м·К) кабул едилмиштир. Йүксек метал мененткенлиги, йүксек агымм тыгыздыкларында олушан калдык жылуулукнын узаклаштырылмасыны колайлаштырмыш; изилденген эң жогорку башарылы чөзүмде клетка үчүндеки максимум температура артышы болжол менен 2,5 °Ж менен чектелген калмыштыр.

Модел, ток тыгыздыгы 1,0 А/жм²’ден 4,0 А/жм²’йе йүкселдикче орточо мембрана суу курамынин болжол менен \(\lambda=7\) дүзейинден толук гидратацияа йагымн \(\lambda=14\) дүзейине чыктыгыны көрсөткөн. Бирок артан суу өндүрүү йалнызжа мембранаы нымдаштыруумиштир. Йаклвакцинак 2–3 А/жм² арасында катод катализатор катмары ве микрокөзөнөктүү катмарда суюк суу олушмайа башламыш, айрыкча агымш каналынын битишик каты чыкынтыларынын астында су бирикмиштир. Бу су, кычкылтекин катализатор катмарына твакцинанмасыны зорлаштырарак улвакциналабилир ток тыгыздыгыну сынырламыштыр.

Баситлештирилмиш тек фазалы бир бойутлу модель болжол менен 10,8–11,0 А/жм² теориялык чектүү ток болжолдооркен, көп фазалуу үч өлчөмдүү модель сынырын болжол менен 5–6 А/жм² бөлгесинде олдугуну көрсөткөн. Изилдөөдө 5,0 А/жм² чөзүмү сандык катары туруктуу бичимде тамамланамадыгындан айрынтылы дторылымлар 4,0 А/жм² үчүн маалыматлмиштир. Изилдөөчүлөр, сынырламанын кычкылтекин гириш каналындаки йетерсизлигинден дегил, тешиктүү катмарлардаки суюк сууйун кычкылтек твакцинаным каршылыгыни артырмасындан ширетүүландыгыны маанилендирмиштир.

Йүксек катод басынжы башка бир система маселеу да олуштурмактадыр. Компрессор, гириш хавасынын температураныны йүкселтиркен салыштырмалуу нымдуулукини дүшүрмектедир. Бир бойутлу модельде 30 °Ж ортам температуранында компрессор чыкыш хавасынын базы изилдөө нокталарында 100 °Ж’йи ашабмененжеги эсептелген. Изилдөө бу неденле, геленексел мембраналуу нымдаштыргыч йерине компрессорден кийин болжол менен 25 µм өлчегиндеки суу тамчыларыны пүскүртен бир системаин араштырылмасыны сунуштайт. Бухарлашан тамчыжыкларын хавайы ошол эле анда согутмасы ве нымдаштырууси бекленмектедир; бирок бу чөзүм мевжут изилдөөда догрудан модельленмемиш вейа эксперименттик катары сынанмамыштыр.

Түркия жагынан оласы маании

Изилдөөдө Түркия’йе аит отун клеткасы, иклим, улвакцинам вейа учуш маалыматси кулланылмамыштыр. Буна ртормен ыкма; Түркияда гелиштирмененбмененжек суутектүү аба каражаттары, пилотсуз учуучу аппараттар, оор коммерциялык унаалар, деңиз каражаттары ве туруктуу кубат системаларынде йүксек гүч тыгыздыклу PEM йагымт клеткаларынин тасарымы ачжылуулукндан маани твакцинамактадыр. Өзелликле инже метал газ диффузия катмарларынын жылуулук йөнетимини иймененштириркен суу басуу тобокелдикини ортадан калдырмамасы, йалнызжа материалдын жылуулук мененткенлигине одакланманын йетерли олмайажторыны көрсөтөт.

Сонучларын Түркиядаки бир системае актарылабилмеси үчүн герчек металл барак геометрисинин өлчүлмеси, каптоо ве коррозия давранышынын инжеленмеси, ар түрдүү иклим температуралары ве бийиктик кысууларынын моделье екленмеси, йерли компрессор ве нымдаштыруу системалеринин динамик давранышынын маанилендирилмеси ве эсептөөларын эксперименттик тек клетка вейа кыса йыгын сыноолоруйле догруланмасы герекир. Изилдөө херханги бир Түрк отун клеткасы системаинин 5–6 А/жм² ток тыгыздыгында чалышабмененжегини, хаважылык үчүн ишенимли олдугуну вейа чачыратма нымдаштыруунин мембраналы системалерден кесин бичимде үстүн олдугуну далилдебейт.

Изилдөөнүн пайдубал суроосу недир?

PEM йагымт клеткаларынде газ диффузия катмары, агымш каналындаки кычкылтекин катализатор катмарына улашмасына, реакция суусунун узаклаштырылмасына, електрик агыммынын менентилмесине ве жылуулукнын биполярдык пластинайа актарылмасына йардымжы олур. Геленексел катод газ диффузия катмарлары чогунлукла көмүртек булалуу кагазтан үретилир. Бу материалдарин тешиктүүлиги йүксек олса да калынлык догрултусундаки жылуулук өткөргүчтүклери генелликле чектелген.

Изилдөө, көмүртек булалуу кâгыдын йерине химиялык вакцинандырма бензери ыкмалерле дүзенли тешиктер ачылмыш инже бир металл барак йерлештирилмеси хâлинде клетканин йүксек агымм тыгыздыкларында насыл давранажторыны араштырмыштыр. Темел суроо, металл баракнын йүксек жылуулук мененткенлигинин клеткайи вакцинары жылуулукнмадан коруйуп коруйамайажторы ве өндүрүмдүүлүк сынырынын бундан кийин ханги твакцинаным меканизмасы тарафындан белирленежегидир.

PEM отун клеткасындеки электрохимиялык реаксионлар

Анот тарафында суутек протонлара ве електронлара айрылыр:

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

Катот тарафында кычкылтек, мембранадан гелен протонлар ве дыш девреден гелен електронларла бирлешерек су олуштурур:

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

Топлам клетка реаксиону шөйледир:

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

Електронлар дыш девреден гечерек електриксел гүч үретиркен протонлар электролит мембранадан гечер. Катотта олушан суйун бир бөлүмү мембранаы нымдуулуклендирир, бир бөлүмү газ фазасына бухарлвакцинар ве бир бөлүмү көзөнөктөрде сывы катары бирикебилир.

Деликли метал газ диффузия катмары неден өнерилмектедир?

Метал левхаларда тешик диаметри, тешик конуму ве тешик тыгыздыгы өндүрүш тартипсында белирленебилир. Изилдөөчүлөр, канал гиришинде кургак аба булундугунда дүшүк тешиктүүлигин реакция суусуну мембранаа йагымн тутабмененжегини; чыкыша догру кычкылтек азалып нымдуулук йүкселдигинде болсо дагы йүксек тешик тыгыздыгынун кычкылтек ташылышыны колайлаштырабмененжегини белиртмектедир.

Деликлерин каты чыкынтыларын астында булунмамасы, електриксел ве жылуулук контакт каршылыгыни азалтабилир. Ошентсе да дүз метал тешиктер йалнызжа калынлык догрултусунда твакцинаным сторлар. Каты чыкынтыларын алтына кычкылтек улаштырабилмек үчүн металл барак менен катализатор катмары арасында микро тешиктүү бир катмар кулланылмасы герекмектедир.

Изилдөөдө колдонулган металл баракнын номинал калынлыгы 50 µм, тешик диаметри 100 µм ве тешиктүүлиги %39,3’түр. Карбон лифли кâгытларда көзөнөктүүлүк болжол менен %80 дүзейинде олабилмесине ртормен металл барак абдан дагы инже ве абдан дагы йүксек жылуулук мененткенлиге сахиптир.

Моделин пайдубал кабуллери

  • Чөзүм туруктуу абалдадыр; башлатма, йүк дегишими вейа гечижи су харекетлери модельленмемиштир.
  • Газ фазасы идеал ве начар кысылуучу кабул едилмиштир.
  • Акыш ламинардык кабул едилмиш, турбуленттүүлүк модели кулланылмамыштыр.
  • Сывы фаза сыкыштырыламаз ве саф судан олушмактадыр.
  • Газ ве сывы фазалар үчүн айры корунум теңдемелери чөзүлмүштүр.
  • Електриксел потенциал ве айрынтылы электрод кинетиги чөзүлмемиштир.
  • Йерел ток тыгыздыгы, жергиликтүү кычкылтек концентрациясына бторлы баситлештирилмиш бир бторынтыйла эсептелген.
  • Електро-осмотик каршылык катсайжылуулук сабит ве бир катары алынмыштыр.
  • Катот ве анод катализөр катмарларындаки топлам сабит ашыкча чыңалуу 550 мВ кабул едилмиштир.
  • Мембранын болжол менен %15’е улашабмененн шишмеси ихмал едилмиштир.
  • Хидрожен ве кычкылтекин мембрана аркылуу чапраз гечиши модельленмемиштир.

Чок агымдык чөйрөлы корунум теңдемелери

Газ ве сывы фазалар үчүн убакытклилик теңдемеи шу генел бичимде чөзүлмүштүр:

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

\(\varepsilon\) тешиктүүлиги, \(р_\alpha\) фазасын көлөм катышыны, \(\rho_\alpha\) тыгыздыгы ве \(\mathbf{U}_\alpha\) ылдамдык вектөрүнү гөстерир. Сон теримлер буулануу ве конденсация неденийле фазалар арасындаки масса актарымыны темсил едер. Ачык каналдар ве металл баракдаки тешиктер үчүн көзөнөктүүлүк бир кабул едилмиштир.

Хер фазасын моментум балансы кысуу, вискоз герилме, көзөнөктүү чөйрө каршылыгы ве фаза дегишиминден ширетүүланан моментум актарымыны ичермектедир:

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

Герилме тенсөрү:

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

шеклиндедир. Гөзенекли катмарлардаки капиллярдык ташылыш ве Darcy типи агымш каршылыгы, моментум теңдемелерине екленен корпус кувветлерийле темсил едилмиштир.

Оксижен, суу буусу ве энергия твакцинанымы

Газ карышымындаки хер компонентин твакцинанымы шу теңдемеле эсептелген:

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

\(Й_и\) масса кесрини, \(Д_{и,м}\) болсо компонентин арка план газы үчүндеки ичопои диффузия коэффициентины көрсөтөт. Катотта кычкылтек ве суу буусу чөзүлүркен азот арка план газыдыр. Анотта суутек ве суу буусундан олушан ичопои карышым кабул едилмиштир.

Акышкан фазаларындаки энергия балансы:

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

шеклиндедир. Топлам енталпи:

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

катары диагнозмланмыштыр. Метал левха ве мембрана гиби катуу аймактарде туруктуу жылуулук өткөргүчтүк:

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

теңдемеийле чөзүлмүштүр.

Газ тыгыздыгы ве көзөнөктүү чөйрө диффузияу

Газ тыгыздыгы идеал газ бторынтжылуулукйла эсептелген:

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

Карышымын молекүл торырлыгы:

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

катары аныкталган. Гөзенекли ортам үчүндеки эффективдүү диффузия коэффициенти болсо көзөнөктүүлүк ве ийрилик колдонуп:

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

шеклинде дүзелтилмиштир. Метал левхадаки дүз тешиктерде ийрилик бир, микрокөзөнөктүү катмарда болсо үч кабул едилмиштир.

Мембранда суу ташылышы

Изилдөөнүн икинжи эсептөө аланы, мембрана ве катализөр катмарларындаки чөзүнмүш суйун твакцинанымыны эсептөөктадыр. Темел теңдеме:

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

шеклиндедир. \(\lambda\), мембрана үчүндеки хер сульфон кислотасы грубу бвакцинана дүшен су молекүлү сайжылуулукны темсил еден бойутсуз суу курамыдир.

Електро-осмотик каршылык терими:

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

ве денге дышы жутулуу-десорпсион терими:

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

катары колдонулган. Мембран су консантрасйону менен суу курамы арасындаки илишки:

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

шеклиндедир. Електро-осмотик каршылык суйу анодтан катода твакцинаркен консантрасйон фаркына бторлы диффузия терс йөнде чалышабилир. Карарлы дурумда бу меканизмаларын нет денгеси мембранадан гечен топлам су өлчөмыны аныктоотедир.

Денге суу курамы, су активитесине бторлы күбик бторынтыйла эсептелген:

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

Мембрандаки су диффузия коэффициенти \(\lambda\) ве сыжаклыга бторлыдыр. Моделде колдонулган бторынты, дүшүк суу курамынде диффузияун ылдамдыкла азалмасыны ве \(\lambda>5\) олдугунда болжол менен сабит бир бөлгейе гечмесини темсил етмектедир. Инжеленен бүтүн изилдөө нокталарында мембрана суу курамы бешин үстүндө калмыштыр.

Електрохимиялык ширетүү ве түкетим теримлери

Катот катализатор катмарындаки кычкылтек түкетими:

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

ве сывы суу өндүрүү:

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

катары диагнозмланмыштыр.

Айрынтылы Butler–Volmer кинетиги йерине жергиликтүү көлөмдүк ток тыгыздыгы шу баситлештирилмиш бторынтыйла эсептелген:

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

Изилдөөдө \(\gamma=0{,}5\) алынмыштыр. Бөйлеже кычкылтек концентрациясынун йүксек олдугу тешик алтларында дагы фазала, су бирикен каты чыкынты алтларында болсо дагы аз агымм үретилмектедир. Бу ифаде меканизмайы баситлештирмектедир ве герчек катализөр кинетигинин догрудан чөзүмү дегилдир.

Хесаплама аланлары

Модел ики айры бирок геометрик катары ешлешен эсептөө аланындан олушмактадыр:

  • Хесаплама Аланы Ы: Анот ве катод каналдары, газ ве сывы фазалар, метал GDL, анод көмүртек булалуу GDL, микрокөзөнөктүү катмарлар, катализөр катмарлары ве мембрана үчүндеки температура дторылымы чөзүлмүштүр. Бу аланда мембрана түр гечишине капалы, жылуулук менентен бир каты катары еле алынмыштыр.
  • Хесаплама Аланы ЫЫ: Мембран ве катализөр катмарларындаки чөзүнмүш суу ташылышы, электро-осмостук сүйрөө, денге дышы жутулуу ве гери диффузия эсептелген.

Шечопо 2 ве там сайфа каршылыгы олан 29. сайфа, ики эсептөө аланынын катод каналы, метал GDL, катод MPL, анод GDL ве мембранала насыл ешлештирилдигини көрсөтөт.

Сайысал тор

CFX-4 йазылымынын блок түзүлүштүү тор герексиними неденийле йалнызжа гексаэдр клеткалер колдонулган. Геометри топлам 507 блок ве 37.920 клеткаден олушмактадыр. Делик егрилигини чөзебилмек үчүн тор метал GDL чевресинде йогунлаштырылмыштыр.

  • Катот канал йүксеклигинде 10 клетка колдонулган.
  • Анот канал йүксеклигинде 8 клетка колдонулган.
  • Хер йарым тешик, хер горизонталдуу дүзлемде 48 клетка ве йүксеклик бойунжа 5 катмарла темсил едилмиштир.
  • Бир йарым тешикте топлам 240 клетка булунмактадыр.
  • Моделленен канал бөлүмү йалнызжа 0,6 мм узунлугундадыр.
  • Симетрик геометриде беш йарым тешик булунмактадыр.

Изилдөө жебирсел көп тор декоддоочусүнүн тордан ылайыкже бторымсыз давраныш сторладыгыны белиртмектедир. Ошентсе да ар түрдүү клетка тыгыздыкларыны каршылаштыран системаатик бир тор көзкарандысыздыгы таблицасу вейа ката өлчүтү сунулмамыштыр.

Бир бойутлу модельин геометрик гирдмененри

ПараметреДегерБирим
Канал узунлугу120,0мм
Канал кеңлиги0,200мм
Канал деринлиги0,200мм
Каты чыкынты кеңлиги0,200мм
Метал GDL калынлыгы0,050мм
Делик чапы0,100мм
Таблода маалыматлен тешик аралыгы0,414мм
Метал GDL тешиктүүлиги0,393Бойутсуз
Метал GDL жылуулук мененткенлиги20,0W/(м·К)
MPL калынлыгы0,050мм
MPL тешиктүүлиги0,750Бойутсуз
MPL кыврымлылыгы3Бойутсуз
Бир бойутлу модельде MPL жылуулук мененткенлиги1,0W/(м·К)

Табло 1’де тешик аралыгы 0,414 мм катары маалыматлмесине ртормен көзөмөл еден параграфта 42,4 µм ифадеси кулланылмактадыр. Бу ики мааниин меркезлер арасы узаклык, тешик кенарлары арасындаки месафе вейа ар түрдүү бир геометрик диагнозм олуп олмадыгы ачыкланмамыштыр. Бу неденле геометрийи йениден куражак изилдөөчүлөрдүн өзгүн авторлордан ачыклама истемеси герекир.

Үч бойутлу модельде колдонулган материал айрыкчари

Катман вейа өзелликДегерБирим
Метал GDL жылуулук мененткенлиги20,0W/(м·К)
Анот көмүртек булалуу GDL жылуулук мененткенлиги0,5W/(м·К)
Канал астындаки ЖФП гечиргенлиги20×10−12м²
Каты чыкынты астындаки ЖФП гечиргенлиги10×10−12м²
ЖФП редукторемез дойгунлугу0,2Бойутсуз
MPL жылуулук мененткенлиги0,5W/(м·К)
MPL гечиргенлиги5×10−12м²
MPL редукторемез дойгунлугу0,1Бойутсуз
Катализөр катмары жылуулук мененткенлиги1,0W/(м·К)
Катализөр катмары гечиргенлиги5×10−12м²
Катализөр катмары редукторемез дойгунлугу0,2Бойутсуз
Мембран жылуулук мененткенлиги1,0W/(м·К)
Мембран калынлыгы0,02мм
Бүтүн тешиктүү катмарларын контакт бурчу130Дереже

Микро тешиктүү катмарын жылуулук мененткенлиги бир бойутлу модельде 1,0 W/(м·К), үч өлчөмдүү модельде 0,5 W/(м·К) алынмыштыр. Изилдөөдө бу дегишиклигин натыйжалара еткиси ошондой эле маанилендирилмемиштир.

Йүксек кысуулы изилдөө шарттары

Бир бойутлу модельде катод чыгыш басымы 160 кПа ве гириш салыштырмалуу нымдуулуки йалнызжа %5 кабул едилмиштир. Хер ток тыгыздыгы үчүн катод стехиометриясы, канал чыкышынын %100 салыштырмалуу нымдуулуке улашажторы сүрөтде эсептелген.

Акым тыгыздыгыКатот стехиометриясиТек фазалы теориялык чектүү токКатот гириш басынжы20 °Ж ортамда компрессор чыкышы30 °Ж ортамда компрессор чыкышы
1,0 А/жм²1,25010,77 А/жм²166,9 кПа349,3 К361,1 К
2,0 А/жм²1,24810,82 А/жм²173,6 кПа354,0 К366,0 К
3,0 А/жм²1,24710,87 А/жм²179,9 кПа358,4 К370,5 К
4,0 А/жм²1,24510,92 А/жм²186,6 кПа362,5 К374,8 К
5,0 А/жм²1,24410,96 А/жм²192,0 кПа366,4 К378,8 К
6,0 А/жм²1,24311,01 А/жм²197,7 кПа370,1 К382,7 К

30 °Ж ортам температуранында 4,0 А/жм² изилдөө ноктасы үчүн компрессор чыкышы 374,8 К, болжол менен 101,7 °Ж’дир. Бу хава ошол эле заманда абдан дүшүк салыштырмалуу нымдуулуке сахиптир. Ошондуктан кысуу артышы кычкылтек концентрациясыну йүкселтиркен гириш хавасыны жылуулуктып курутмактадыр.

Теорик чектүү ток ве кычкылтек диффузияу

Бир бойутлу модельде чектүү ток:

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

бторынтжылуулукйла эсептелген. Оксиженин хавадаки диффузия коэффициенти температура ве басынжа бторлы катары:

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

шеклинде колдонулган. Басынч йүкселдикче кычкылтекин молар консантрасйону артмакта, бирок диффузия коэффициенти азалмактадыр. Тек фазалы модель суюк сууйун көзөнөктөри капатмасыны көңүл бурууе алмадыгындан герчек үч өлчөмдүү натыйжалары айкын бичимде йүксек тахмин етмиштир.

Кыса канал бөлүмүндеки чектик шарт

Герчек канал узунлугу 120 мм олмасына ртормен үч өлчөмдүү геометри йалнызжа 0,6 мм узунлугундадыр. Айны гириш ылдамдыгыны коруйабилмек үчүн катод стехиометриясы:

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

шеклинде дүзелтилмиштир. Бу неденле кыса бөлүмде абдан йүксек гөрүнен бир стехиометрия кулланылмактадыр. Бөлүм катод гиришине йерлештирилдиги үчүн ток тыгыздыгы дегиштирилиркен газ дебиси сабит тутулмуш, ошондуктан жергиликтүү катод стехиометриясы ток тыгыздыгыйла терс катыштылы олмуштур.

Анот тарафында там канал үчүн стехиометрия 1,05 кабул едилмиш; кыса кеситин анод чыкышына каршылык гелдиги варсайыларак дүзелтилмиш жергиликтүү стехиометрия 11 катары колдонулган. Кыса бөлүмде газ курамынин канал догрултусунда абдан аз дегишмеси неденийле анод ве катод агымшларынын ошол эле вейа терс йөнде олмасы натыйжалар ачжылуулукндан маанисиз кабул едилмиштир.

Су дрейфси ве мембрана мекемеасы

Нет су каршылык катсайжылуулук:

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

шеклинде диагнозмланмыштыр. Доймуш суутек гиришинде анод мекемеадан сүрдүрүлебмененжек максимум каршылык:

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

катары эсептелген. 80 °Ж’де каныгуу басынжы 47,415 кПа ве анод басынжы 101,3 кПа алындыгында \(р_{д,\mathrm{max}}=4{,}84\) булунмуштур.

Мембрандан гечен суйун конденсациясы ве йениден буулануусы маанилүү бир жашыруун жылуулук твакцинар. \(р_д=0{,}5\) үчүн дрейф ширетилген жашыруун жылуулук:

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

ве 600 мВ эквивалент чыңалуу кайбына дайанан калдык жылуулук:

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

катары ифаде едилмиштир. Ики маани арасындаки катыш:

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

булунмуштур. Бу хесап, суйун мембранаа гириши ве чыкышындаки фаза дегишими жылуулуксынын клетка термалдык денгесинде ихмал едмененмейежегини көрсөтөт.

Акым тыгыздыгы арттыкча кычкылтек ве температура насыл дегишмиштир?

Шечопо 5’е ылайык катод катализатор катмарындаки орточо кычкылтек концентрациясы ток тыгыздыгы арттыкча убакыткли дүшмүштүр. Ен кескин азалма 2–3 А/жм² арасында герчеклешмиштир. Изилдөөчүлөр бу сынууйы тек фазалы агымштан суюк суу ичерен көп фазалуу агымша гечишле илишкмененндирмиштир.

Азами жергиликтүү температура ошол эле аралыкта йүкселмиш, бирок артыш чектелген калмыштыр. 4,0 А/жм²’де клетка номинал 80 °Ж изилдөө температуранынын болжол менен 2,5 °Ж үзерине чыкмыштыр. Карбон лифли кâгыт колдонулган мурунку эсептөөларда билдирмененн абдан дагы жогорку температура артышларына кыйасла бу натыйжа, металл баракнын жылуулук йайма сыйымдуулуксинин күчтүү олдугуна ишарет етмектедир.

Мембран хидрасйону насыл дегишмиштир?

Шечопо 6’да орточо мембрана суу курамы 1,0 А/жм²’де болжол менен \(\lambda=7\), 2,0 А/жм²’де болжол менен \(\lambda=10\) ве 3–4 А/жм²’де болжол менен \(\lambda=13–14\) дүзейиндедир. Гириш салыштырмалуу нымдуулуки йалнызжа %5 олмасына ртормен жогорку басым ве реакция суусу мембранаы тамамен мекемеактан сактаган.

Дүшүк агыммда нет су каршылык катсайжылуулук болжол менен бире йагымндыр. Акым йүкселдикче катод тарафындаки нымдуулук ве жутулуу терими артмыш, бөйлеже электро-осмостук сүйрөөнин нет еткиси азалмыштыр. Сонучлар, ошол эле куру гириш шарттарында клетканин 2 А/жм² ве үстүндө чалышабилмесине каршылык 1 А/жм² ве астындаки йүклерде мембранаын йетерсиз нымдуулукленме тобокелдики твакцинадыгыны көрсөтөт.

4,0 А/жм² дурумунда температура дторылымы

Шечопо 7’де метал GDL тешиктериндеки газ температуранынын чевредеки каты металден бираз йүксек олдугу гөрүлмектедир. Микро тешиктүү катмар менен канал арасындаки температура градиенты, олушан суйун бир бөлүмүнүн бухар фазасында узаклаштырылмасына йардым етмектедир.

Анот катализатор катмарында электрохимиялык калдык жылуулукнын йанында ек бир жылуулук кайнторы булунмактадыр. Позитиф нет су дрейфсинде су анод тарафында мембранаа гиреркен конденсация вейа жутулуу жылуулуксы ачыга чыкармактадыр. Катот тарафында ошол эле су мембранадан айрылыркен ешит чоңлүкте бир согутма терими колдонулган.

Оксижен дторылымы

Шечопо 8, абдан йүксек газ дебиси неденийле 0,6 мм’лик бөлүм бойунжа кычкылтек концентрациясынун хемен хемен дегишмедигини көрсөтөт. Буга каршы канал менен катализатор катмары арасында күчтүү бир калынлык догрултусу градиенты вардыр.

Метал левханын ачык тешиктери үчүнде кычкылтек концентрациясы болжол менен хоможендир. Асыл каршылык, суюк суу ичерен микро тешиктүү ве катализөр катмарларында олушмактадыр. Йаклвакцинак 1,74 бар изилдөө басынжы канал кычкылтек концентрациясыну артырса да суюк сууйун көзөнөктөри кысмен капатмасы катализөр бетине твакцинанан кычкылтеки сынырландырмыштыр.

Бторыл нымдуулук дторылымы

Шечопо 9’да катод каналындаки салыштырмалуу нымдуулук, куру гириш ве йүксек газ дебиси неденийле абдан дүшүктүр. Буна ртормен тешиктүү катмарларын үчүнде салыштырмалуу нымдуулук болжол менен бире улашмыш ве каты чыкынтыларын астында йер йер дойгунлугу ашмыштыр.

Бу дурум ики йөнлү бир натыйжа догурмактадыр. Йүксек жергиликтүү нымдуулук мембранаын ийи хидратланмасыны сторларкен ошол эле заманда конденсацияйа ве суюк суу олушумуна йол ачмактадыр. Ошондуктан клетканин дүшүк нымдуулукден корунмасы, йүксек агыммда суу басуу тобокелдикини бераберинде гетирмектедир.

Сывы су нереде бирикмиштир?

Шечопо 10, суюк сууйун чоң бөлүмүнүн ачык тешиктерин үчүнде дегил, металл баракнын каты чыкынтыларынын астында бириктигини көрсөтөт. Деликлер куру калыркен микрокөзөнөктүү катмар менен катализатор катмарында ар түрдүү каныгуу севийелери олушмуштур.

Катманлар арасындаки каныгуу чачырап кетүүсы; гечирамплитуда, хидрофобиклик ве азайтылгыс каныгуу маанилеринин ар түрдүүлыгындан ширетүүланмактадыр. Катализөр катмарынын редукторемез дойгунлугу микрокөзөнөктүү катмардан дагы йүксек кабул едилмиштир.

Модел бөлүмүнүн гириш ве чыкыш кенарларында су бирикими орта бөлгеден дагы фазаладыр. Өзелликле чыкыштаки артыш, герчек бир канал девамы йерине дувар чектик шарт кулланылмасындан еткмененнмиштир. Изилдөөчүлөр бу йапай сынырын 5 А/жм² чөзүмүндеки сандык күчтүүгү артырмыш олабмененжегини белиртмектедир.

Су өндүрүши менен су бирикими ошол эле йерде мидир?

Шечопо 11’де эң жогорку жергиликтүү ток тыгыздыгы металл баракнын ачык тешиктеринин астында гөрүлмектедир. Бу бөлгелерде кычкылтек концентрациясы дагы йүксектир ве дагы фазала реакция суусу үретилмектедир.

Буга каршы эң жогорку суюк суу бирикими каты чыкынтыларын астында олушмуштур. Ошондуктан ен фазала суйун үретилдиги бөлге менен суйун твакцинаным каршылыгы неденийле бириктиги бөлге ошол эле дегилдир. Йерел көлөмдүк агымм тыгыздыкларынын эң жогорку ве эң төмөн маанилери арасында болжол менен беш кат фарк эсептелген.

Мембран үчүндеки жергиликтүү су дторылымы

Шечопо 12, мембрана суу курамынин метал GDL тешиктеринин астында дагы дүшүк олдугуну көрсөтөт. Бунун недени куру канал хавасынын бу нокталардан тешиктүү катмарлара догрудан улашмасыдыр.

Анот катализатор катмарындаки электролит фазасы, позитиф нет су дрейфси неденийле катод тарафындаки электролиттен дагы ийи хидратланмыштыр. Су твакцинанымынын герчек гечиш меканизмасы модельде консантрасйон фаркына дайалы диффузиядур; позитиф нет каршылык анодтан катода топлам су актарымына каршылык гелмектедир.

Неден бир бойутлу модель 10–11 А/жм² болжолдооркен үч өлчөмдүү модель 5–6 А/жм² көрсөткөн?

Бир бойутлу модель йалнызжа газ фазасындаки кычкылтек концентрациясыну ве идеализе едилмиш диффузия йолуну кулланмактадыр. Сывы суйун тешиктүү катмарларда бирикмесини хесаба катмамактадыр. Бу неденле йүксек басынжын сторладыгы кычкылтек артышыны өндүрүмдүүлүка догрудан йансытмыштыр.

Үч бойутлу көп агымдуу модель болсо реакция суусунун конденсациясыны, капиллярдык ташылышыны ве көзөнөктөрде олуштурдугу көлөмдүк енгели чөзмектедир. Акым йүкселдикче кычкылтек түкетими артмакла калмамыш, суу өндүрүү де артарак еткин газ гечиш аланыны күчүлтмүштүр. Бу гери беслеме теориялык чектүү токны болжол менен йарыйа индирмиштир.

Изилдөөнүн ана сонужу, металл баракнын йүксек жылуулук мененткенлигийле термалдык сынырламанын чоң өлчүде азалтылабмененжеги; бирок су йөнетиминин чөзүлмемеси хâлинде кычкылтек ташылышынын йени өндүрүмдүүлүк сыныры хâлине гележегидир.

Компрессор ве нымдаштыруу маселеу

Йүксек кысуу үчүн герекен компрессор гириш хавасыны жылуулуктмактадыр. Компрессор чыкыш температурасы шу бторынтыйла эсептелген:

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

Моделде компрессор изентропиялык натыйжалуулуки %80 ве хава үчүн \(\kappa=1{,}4\) алынмыштыр. Сыжаклык йүкселдигинде хаванын твакцинайабмененжеги дойгун суу буусу өлчөмы артар; ошол эле мутлак су өлчөмыйла салыштырмалуу нымдуулук кескин бичимде дүшер. Өрнегин 20 °Ж’де %100 нымдуулукли хава, 80 °Ж’йе жылуулуктылдыгында болжол менен %5 салыштырмалуу нымдуулуке каршылык гелебилир.

Мембранлы нымдаштыргыч компрессорден мурун йерлештирилирсе хава компрессорде йениден жылуулукныр ве салыштырмалуу нымдуулуки дүшер. Компрессорден кийин йерлештирилирсе абдан сыжак ве кургак аба нымдаштыргыч мембранаа зарар веребилир. Изилдөө ошондой эле Nafion түрү мембраналарын нарки, контрол гежикмеси ве пер- ве полифлороалчопо мадделер ичермеси гиби сагымнжалара ишарет етмектедир.

Пүскүртмели нымдаштыруу өнериси

Изилдөөчүлөр, компрессорден кийин хава агыммына микро масштабте суу тамчылары пүскүртүлмесини сунуштайт. Дамлажыкларын буулануусы ики ишлеви ошол эле анда сторлайабилир:

  • Бухарлашма жашыруун жылуулуксы сайесинде сыжак компрессор хавасыны согутмак.
  • Хавайа суу буусу еклейерек салыштырмалуу нымдуулуки йүкселтмек.

Өнжеки бир бухарлаштырмалы муздаткыч изилдөөсына дайаныларак там буулануу үчүн болжол менен 25 µм чапындаки тамчыжыкларын араштырылабмененжеги белгиленген. Уйгун чап; хава температурасы, салыштырмалуу нымдуулук, тамчыжык калыш мөөнөтү, пүскүртме геометриси ве хазне бойутуна бторлыдыр.

Бу пүскүртмели дүзен мевжут отун клеткасы модельине дâхил едилмемиштир. Нозул сайжылуулук, тамчы дторылымы, дувар ысланмасы, суюк суу твакцинанмасы, контрол системаи ве энергия керектөөсү ошондой эле инжеленмелидир.

Шечополерин билимсел месажы

ШечопоГөстермененн ичерикТемел месаж
Шечопо 1PEM отун клеткасынын катмарлары ве реаксион йолларыОксижен, суутек, протон ве електрон йолларыны; GDL, катализөр ве мембрана катмарларыны гөстерир.
Шечопо 2Ики эсептөө аланынын тел кафес түзүмүАкыш-температура аланы менен мембрана суу ташылышы аланынын геометрик катары ешлештирилдигини гөстерир.
Шечопо 3Блок түзүмү ве тор бөлүмлериДелик ве тешиктүү катмар чевресинде клетка йогунлаштырмасыны гөстерир.
Шечопо 4Метал тешиктерин үсттен гөрүнүмү ве сынырларБеш йарым делигин симетри сынырларыйла темсил едилдигини гөстерир.
Шечопо 5Оксижен консантрасйону ве максимум температураАкымла кычкылтек азалыркен температуранын йалнызжа чектелген йүкселдигини гөстерир.
Шечопо 6Орталама мембрана гидратациясы ве нет каршылыкАкымла мембрана нымдуулукинин арттыгыны, нет каршылыкнин азалдыгыны гөстерир.
Шечопо 74 А/жм²’де температура дторылымыМетал левханын температура артышыны сынырладыгыны гөстерир.
Шечопо 8Оксижен консантрасйону дторылымыАна градиентын канал догрултусунда дегил, калынлык догрултусунда олуштугуну гөстерир.
Шечопо 9Бторыл нымдуулук дторылымыКанал куру калыркен тешиктүү катмарларын дойгунлуга улаштыгыны гөстерир.
Шечопо 10Сывы су көлөм катышыСу баскынынын айрыкча каты чыкынтыларын астында олуштугуну гөстерир.
Шечопо 11Йерел көлөмдүк ток тыгыздыгыЕн йүксек агыммын метал тешиктерин астында үретилдигини гөстерир.
Шечопо 12Мембран суу курамыКуру хава гиришине ачык тешик алтларында мембранаын дагы аз хидратландыгыны гөстерир.

Изилдөөнүн күчтүү йөнлери

  • Газ ве сывы фазалары айры корунум теңдемелерийле чөзен көп агымдуу бир модель колдонулган.
  • Оксижен, суу буусу, суюк суу, температура ве мембрана гидратациясы ошол эле физиксел алкакде бааланган.
  • Метал левхадаки 100 µм тешиктер эквивалент көзөнөктүү чөйрө катары баситлештирилмек йерине догрудан торда чөзүлмүштүр.
  • Бир бойутлу тек фазалы болжолдоо менен үч өлчөмдүү көп фазалуу натыйжа арасындаки фарк ачыкланмыштыр.
  • Ысыл сынырлама менен су ве кычкылтек твакцинаным сынырламасы бирбиринден айрылмыштыр.
  • Мембрандан су дрейфсинин жашыруун жылуулук еткиси энергия теңдемеине екленмиштир.
  • Акым тыгыздыгына бторлы мембрана гидратациясы ве нет су каршылык егилимлери сунулмуштур.
  • Йерел агымм өндүрүши менен суюк суу бирикиминин ар түрдүү бөлгелерде олуштугу көрсөтүлгөн.
  • Систем дүзейиндеки компрессор жылуулукнмасы менен клетка ичи нымдуулук йөнетими бирликте тартышылмыштыр.

Изилдөөнүн чектелгенлыклары

  • Изилдөө рецензиядан өтпөгөн препринт.
  • Йалнызжа 0,6 мм узунлугунда абдан кыса бир канал бөлүмү модельленмиштир.
  • Герчек чыкыш девамы йерине колдонулган дувар сыныры жергиликтүү су бирикимини артырмыш олабилир.
  • 5 А/жм² чөзүмү сандык күчтүүк неденийле тамамланамамыш, айрынтылы анализ 4 А/жм² менен чектелген калмыштыр.
  • Бу өзел жогорку басымлы метал GDL геометриси үчүн догрудан эксперименттик валидация сунулмамыштыр.
  • Систематик тор көзкарандысыздыгы ве сандык белгисиздик анализи маалыматлмемиштир.
  • Акыш ламинардык ве туруктуу кабул едилмиштир; тамчы харекети, гечижи су тыкачлары ве канал ичи салынымлар чөзүлмемиштир.
  • Йерел ток тыгыздыгы айрынтылы электрохимиялык кинэтикалык йерине кычкылтек концентрациясына бторлы ампирик бир ифадейле эсептелген.
  • Ашыры чыңалуу бүтүн изилдөө нокталарында сабит алынмыштыр.
  • Електро-осмотик каршылык катсайжылуулук сабит кабул едилмиштир.
  • Мембран шишмеси, газ чапраз гечиши, метал коррозияны ве каптоо каршылыгы модельленмемиштир.
  • Биполар плакалар ве анод микрокөзөнөктүү катмары торда чөзүлмемиштир.
  • GDL тешик аралыгы ве MPL жылуулук мененткенлиги үчүн текст ичи уйумсузлуклар булунмактадыр.
  • Тамамланмамыш ширетүү йер тутужусу ве ар түрдүү үйүрмде екленмиш текрар графиклер белге контролүнүн хенүз тамамланмадыгыны көрсөтөт.
  • Пүскүртмели нымдаштыруу йалнызжа өнери дүзейиндедир.

Изилдөөнүн дестекледиги натыйжалар

  • Деликли метал GDL, изилденген модельде йүксек агымм тыгыздыкларында клетка ичи температура артышыны сынырламактадыр.
  • Акым тыгыздыгы арттыкча реакция суусу мембрана гидратациясыну йүкселтмектедир.
  • Йаклвакцинак 2–3 А/жм² бөлгесинде модель тек фазалы дурумдан суюк суу ичерен көп фазалуу дурума гечмектедир.
  • Сывы су айрыкча металл баракнын каты чыкынтыларынын астында бирикмектедир.
  • Су баскыны кычкылтек ташылышыны азалтарак улвакциналабилир ток тыгыздыгыну тек фазалы теорик мааниин алтына индирмектедир.
  • Бир бойутлу модель болжол менен 11 А/жм² болжолдооркен көп фазалуу натыйжалар болжол менен 5–6 А/жм² бөлгесине ишарет етмектедир.
  • Гириш хавасынын нымдуулук герексиними ток тыгыздыгына бторлыдыр; ошол эле куру гириш шарту бүтүн йүк аралыгы үчүн уйгун дегилдир.
  • Компрессор чыкышындаки сыжак ве кургак аба отун клеткасы нымдаштыруусини зорлаштырмактадыр.

Изилдөөнүн канытламадыгы натыйжалар

  • Изилдөө герчек бир отун клеткасынын эксперименттик катары 5–6 А/жм² ток тыгыздыгында туруктуу чалыштыгыны далилдебейт.
  • Метал GDL’нин көмүртек булалуу бүтүн GDL түрлеринден үстүн олдугуну гөстермемектедир.
  • Метал левханын коррозия, механикалык чарчоо, каптоо өмрү вейа узак мөөнөттүү електриксел темас өндүрүмдүүлүкыны баалоомектедир.
  • Йаклвакцинак 2,5 °Ж температура артышы бүтүн клетка геометрмененри ве йыгын тасарымлары үчүн гечерли дегилдир.
  • Пүскүртмели су системаинин мембраналуу нымдаштыргычден дагы натыйжалуулукли, хафиф вейа ишенимилир олдугу эксперименттик катары гөстерилмемиштир.
  • Тек клеткадеки кыса канал сонужу догрудан учак, твакцинат вейа мегават масштабдуу отун клеткасы йыгынына актарыламаз.
  • Сайысал чөзүм, герчек системаин гүч тыгыздыгы, клетка чыңалууи, натыйжалуулуки вейа көмөкчү система энергия керектөөсүни эсептөөмактадыр.
  • Изилдөө коопсуздук, сертификасйон вейа коммерциялык колдонууга мүмкүнлик баалооси сунмамактадыр.

Изилдөөнүн Йөнтеми ве Булгулары

Текник ыкма өзети

Йөнтем компонентиУйгуланан йаклвакцинам
Йагымт клеткаси түрүПротон дегишим мембраналы отун клеткасы
Йени компонентКатот көмүртек булалуу GDL йерине тешиктүү металл барак
Модел түрүКарарлы, үч өлчөмдүү, көп фазалуу ве көп компоненттүү CFD
ЧөзүжүCFX-4; үйүрм нумарасы белиртилмемиштир
Фаз йаклвакцинамыГаз ве сывы үчүн айры корунум теңдемелери
Акыш режимиЛаэмальр
Газ модельиИдеал ве начар кысылуучу карышым
Сывы модельиСыкыштырыламаз саф су
Хесаплама аланы ЫАкыш, түр ташылышы, суюк суу ве температура
Хесаплама аланы ЫЫМембран суу курамы ве мембрана аркылуу суу ташылышы
Електрохимиялык йаклвакцинамЙерел кычкылтек концентрациясына бторлы баситлештирилмиш ток тыгыздыгы
Топлам ашыкча чыңалуу550 мВ; катодта 500 мВ, анодта 50 мВ
Електро-осмотик каршылык катсайжылуулук1
Геометри узунлугу0,6 мм
Аг507 блок ве 37.920 гексаэдр клетка
Метал GDL делиги100 µм чап
Метал GDL калынлыгы50 µм
Метал GDL тешиктүүлиги%39,3
Катот чыкыш басынжы160 кПа
Катот гириш салыштырмалуу нымдуулуки%5
Инжеленен башарылы агымм аралыгы1,0–4,0 А/жм²

Акым тыгыздыгына бторлы ана натыйжалар

Акым тыгыздыгыМембран хидрасйонуНет су каршылык егилимиОксижен ве су давранышы
1,0 А/жм²Йаклвакцинак \(\lambda=7\)Йаклвакцинак бирМембран ылайыкже куру; агымш чоң өлчүде тек фазалы
2,0 А/жм²Йаклвакцинак \(\lambda=10\)Белиргин бичимде азалырНем артар; суюк суу олушумуна гечиш башлар
3,0 А/жм²Йаклвакцинак \(\lambda=13\)Йаклвакцинак 0,3–0,4MPL ве катализатор катмарында суу басуу айкынлешир
4,0 А/жм²Там хидрасйона йагымн \(\lambda=13–14\)Йаклвакцинак 0,3Оксижен твакцинанымы суюк суу тарафындан күчтүү бичимде сынырландырылыр

4,0 А/жм² айрынтылы чөзүмүнүн табылгалары

  • Изилдөө басынжы болжол менен 1,74 бар дүзейиндедир.
  • Метал GDL неденийле максимум температура артышы болжол менен 2,5 °Ж менен чектелген калмыштыр.
  • Катот каналында салыштырмалуу нымдуулук абдан дүшүк, тешиктүү катмарларда болжол менен %100 вейа дагы йүксектир.
  • Метал левха тешиктери чоң өлчүде куру калмыштыр.
  • Сывы су, башлыжа металл баракнын каты чыкынтыларынын астындаки MPL ве катализатор катмарында бирикмиштир.
  • Оксижен консантрасйону канал бойунжа болжол менен сабит, калынлык догрултусунда күчтүү градиентлыдыр.
  • Ен йүксек жергиликтүү ток тыгыздыгы ачык тешиктерин астында олушмуштур.
  • Ен дүшүк жергиликтүү агымм тыгыздыклары су бирикиминин йүксек олдугу каты чыкынты алтларында гөрүлмүштүр.
  • Мембран суу курамы кургак аба еришиминин күчтүү олдугу тешик алтларында жергиликтүү катары дагы дүшүктүр.
  • Анот тарафындаки электролит фазасы позитиф нет су каршылыкси неденийле катод тарафына ылайык дагы ийи хидратланмыштыр.

Бир ве үч өлчөмдүү модель салыштыруусы

ӨзелликБир бойутлу модельҮч бойутлу көп фазалуу модель
Сывы суИхмал едилмиштирЙогушма, каныгуу ве капиллярдык ташылыш чөзүлмүштүр
ДеликлерЕткин көзөнөктүүлүк ве диффузия параметреси100 µм тешиктер догрудан торда чөзүлмүштүр
Теорик чектүү токЙаклвакцинак 10,8–11,0 А/жм²Йаклвакцинак 5–6 А/жм² бөлгеси
Башлыжа сынырламаГаз фазасында кычкылтек диффузияуСывы су неденийле артан кычкылтек твакцинаным каршылыгы
Йерел дторылымларЧөзүлмемиштирСыжаклык, кычкылтек, салыштырмалуу нымдуулук, суюк суу ве агымм дторылымы

Генел билимсел баалоо

Изилдөө, йүксек агымм тыгыздыклу PEM йагымт клеткаларынин тек бир материал өзеллигийле иймененштирмененмейежегини көрсөтөт. Метал газ диффузия катмарынын йүксек жылуулук мененткенлиги, көмүртек булалуу кагазла илишкмененндирмененн жергиликтүү вакцинары жылуулукнмайы маанилүү өлчүде азалтмыштыр. Бирок ошол эле метал түзүмнын дүзенли ве дагы дүшүк топлам тешиктүүлиги, айрыкча каты чыкынтыларын астындаки суунун чыгарылышыны тек бвакцинана чөзмемиштир.

Перформансын йүкселтилмеси үчүн тешик диаметри, тешик тыгыздыгы, канал-каты чыкынты дүзени, микрокөзөнөктүү катмар гечиргенлиги, хидрофобиклик ве азайтылгыс каныгуу бирликте оптималдаштыруу едилмелидир. Деликлерин йалнызжа кычкылтек гириш ноктасы катары дегил, температура ве жергиликтүү нымдуулук дторылымыны сүрөтлендирен унсурлар катары маанилендирилмеси герекир.

Изилдөөнүн система дүзейиндеки маанилүү месажы, клетка үчүндеки су йөнетиминин компрессор ве нымдаштыруу системаийле айры дүшүнүлемейежегидир. Йүксек кысуу кычкылтек концентрациясыну артырыркен хавайы жылуулуктып курутмакта; дүшүк йүкте мембрана мекемеасы, йүксек йүкте болсо тешиктүү катмар суу басуу олуштурабилмектедир. Бу неденле гириш нымдуулуки ток тыгыздыгына ылайык еткин бичимде контрол едилмелидир.

Сонучлар тешиктүү металл GDL йаклвакцинамынын изилдөөйа маани олдугуну көрсөтөт; бирок мевжут изилдөө хенүз тасарым валидациясы дегилдир. Там канал узунлугу, герчек электрохимиялык поляризация, динамик йүк дегишимлери, метал коррозияны, эксперименттик су дторылымы ве чачыратма нымдаштыруунин йардымжы кубат керектөөсү бирликте инжеленмеден коммерциялык система өндүрүмдүүлүкы хаккында кесин натыйжа чыкарыламаз.

Булак жана метод эскертүүсү

Изилдөөнүн там өзгүн ады: А Жомпутатионал Флуид Дйнамижс Аналйтуман оф а Протон Еxжханге Мембране Фуел Желл wитх а Перфоратед Метал Гас Диффусион Лайер

Йазарлар ве тартиплары: Торстен Бернинг; Володймйр Коробко; Схиро Танака.

Еш биринжи автор: Ешит салым вейа еш биринжи авторлык билгиси изилдөөдө йер алмамактадыр.

Сорумлу автор: Торстен Бернинг. Изилдөөдө менентишим адреси tbe@et.aau.dk катары маалыматлмиштир.

Йазар-мекеме ешлешмелери:

  • Торстен Бернинг: ААУ Енергй, Аалборг Университй, Понтоппиданстр. 111, Аалборг, 9920, Данимарка.
  • Володймйр Коробко: Натионал Университй оф Схипбуилдинг, Хероес оф Украине Авенуе 9, Мйколаив, 55007, Украйна.
  • Схиро Танака: Хйдроген Соутх Африжа – Жаталйтуман, Университй оф Жапе Тоwн, Рондебосжх, Жапе Тоwн, 21000, Гүней Африка.

SSRN кайыт өзетинде Володймйр Коробко’нун мекемеу дагы кең бичимийле “Адмирал Макаров Натионал Университй оф Схипбуилдинг” катары гөрүнмектедир. Ана ичерикте мекеме ады изилдөөнүн автор сатырында маалыматлдиги бичимде сакталган.

DOI: 10.2139/ssrn.7201556

Ширетүү түрү: Хесапламалы агымдык чөйрөлар динамиги, көп фазалуу твакцинаным ве сандык модельлеме препринт изилдөө макалеси.

Йайын платформау: SSRN.

Дерги: Хакемли бир журнал ады вейа йайымланмыш журнал үйүрмү бул изилдөөда йер алмамактадыр.

Йайыневи: Айры бир журнал басмакана белиртилмемиштир; изилдөө SSRN препринт кайды катары сунулмуштур.

Йайын йылы: 2026.

Хакемлик дуруму: Изилдөө рецензиядан өткөн эмес. Хер сайфада “Препринт нот пеер ревиеwед” уйаржылуулук булунмактадыр.

Ресмî кайыт:SSRN расмий кайыт сайфасы

DOI шилтемесы:10.2139/ssrn.7201556

Финансман: Йазарлар изилдөөнүн херханги бир каржылоо алмадыгыны белиртмиштир.

Чыкар чатышмасы: Айры бир кызыкчылыктар кагылышы бейаны бу үйүрмде йер алмамактадыр.

Вери ве код кулланылабилирлиги: Вери депосу, код депосу вейа йениден үретмененбилир симуляция досйасы шилтемесы изилдөөдө маалыматлмемиштир.

Йазар салымлары:

  • Торстен Бернинг: Каврамсаллаштырма, ыкма, бичимсел анализ, илк таслак йазымы, гөзден гечирме ве дүзенлеме.
  • Володймйр Коробко: Бичимсел анализ, гөзден гечирме ве дүзенлеме.
  • Схиро Танака: Йөнтем, бичимсел анализ, гөзден гечирме ве дүзенлеме.

Бу Түркче ачыклама, йүкленен 33 сайфалык досйанын ана метни, 36 нумаралы теңдемеи, үч таблицасу, Шечопо 1–12’си ве там сайфа гөрсел текрарлары инжеленерек даярдалган. Билимсел ичерик йалнызжа изилдөөдө сунулан модель, маани, сүрөт ве йорумлара дайанмактадыр. Дыш ширетүүлар йалнызжа DOI, SSRN кайыт кимлиги ве библийографик автор билгмененринин догруланмасы амажыйла колдонулган.

Досйанын 30–31. сайфаларында Шечопо 6’нын, 32–33. сайфаларында Шечопо 5’ин бирбиринден кичинекей сандык ар түрдүүлыклар ичерен ики үйүрмү булунмактадыр. Ана текстде колдонулган графиклер билимсел анлатымын биринжил үйүрмү кабул едилмиштир. Делик аралыгы үчүн маалыматлен 0,414 мм ве 42,4 µм маанилери, бир ве үч өлчөмдүү модельлердеки ар түрдүү MPL жылуулук өткөргүчтүклери ве тамамланмамыш ширетүү йер тутужусу сессизже дүзелтилмемиштир.

Изилдөөнүн натыйжалары; кыса эсептөө аланы, баситлештирилмиш електрокимйа, догрудан эксперименттик валидация ексиклиги, системаатик тор көзкарандысыздыгы сунулмамасы ве 5 А/жм² чөзүмүнүн тамамланамамасы көңүл бурууе алынарак йорумланмалыдыр. Йаклвакцинак 5–6 А/жм² чектүү ток, эксперименттик катары догруланмыш бир ишлетме гарантиси дегил, модельин суу басуу ве кычкылтек ташылышы варсайымлары астында йаптыгы бир болжолдоодүр.


Бөлүшүү:

Пикирлер текшерилгенден кийин жарыяланат.Пикириңиз жактыруу процессине жөнөтүлүп, ылайыктуу деп табылганда көрүнөт.

Пикир калтырыңыз

E-mail дарегиңиз жарыяланбайт. Милдеттүү талаалар * менен белгиленген

Бул сайтта кукилерге уруксат берүү тажрыйбаңызды жакшыртат. Куки саясаты