Ushbu tadqiqot proton almashinish membranali yoqilgʻi elementining katod tomonida an’anaviy uglerod tolali qogʻoz oʻrniga diametri 100 µm boʻlgan teshiklarga ega yupqa metall plastinadan foydalanish issiqlik, kislorod va suv tashilishini qanday ta’sirlashini uch oʻlchamli va koʻp fazali hisoblash suyuqliklar dinamikasi modeli yordamida oʻrgangan. Metall gaz diffuziya qatlamining issiqlik oʻtkazuvchanligi 20 W/(m·K), taqqoslash uchun ishlatilgan uglerod tolali gaz diffuziya qatlaminiki esa 0,5 W/(m·K) deb qabul qilingan. Metallning yuqori issiqlik oʻtkazuvchanligi yuqori tok zichliklarida hosil boʻladigan chiqindi issiqlikni chiqarishni osonlashtirgan; tekshirilgan eng yuqori muvaffaqiyatli yechimda hujayra ichidagi maksimal harorat koʻtarilishi taxminan 2,5 °C bilan cheklangan.

Model tok zichligi 1,0 A/cm² dan 4,0 A/cm² gacha oshgani sari membrananing oʻrtacha suv miqdori taxminan \(\lambda=7\) darajasidan toʻliq gidratatsiyaga yaqin \(\lambda=14\) darajasiga koʻtarilganini koʻrsatgan. Biroq suv hosil boʻlishining ortishi faqat membranani namlamagan. Taxminan 2–3 A/cm² oraligʻida katod katalizator qatlami va mikrogʻovak qatlamda suyuq suv hosil boʻla boshlagan, ayniqsa oqim kanaliga tutash qattiq boʻrtmalar ostida suv toʻplangan. Bu suv kislorodning katalizator qatlamiga tashilishini qiyinlashtirib, erishish mumkin boʻlgan tok zichligini cheklagan.

Soddalashtirilgan bir fazali bir oʻlchamli model taxminan 10,8–11,0 A/cm² nazariy chegaraviy tokni bashorat qilgan boʻlsa, koʻp fazali uch oʻlchamli model chegara taxminan 5–6 A/cm² hududida ekanini koʻrsatgan. Tadqiqotda 5,0 A/cm² yechimni sonli jihatdan barqaror tarzda yakunlashning imkoni boʻlmagani uchun batafsil taqsimotlar 4,0 A/cm² uchun berilgan. Tadqiqotchilar cheklov kirish kanalidagi kislorod yetishmovchiligidan emas, balki gʻovak qatlamlardagi suyuq suv kislorod tashilish qarshiligini oshirishidan kelib chiqadi, deb baholagan.

Yuqori katod bosimi yana bir tizim muammosini yuzaga keltiradi. Kompressor kirish havosining haroratini oshirar ekan, uning nisbiy namligini kamaytiradi. Bir oʻlchamli modelda 30 °C atrof-muhit haroratida kompressor chiqish havosi ayrim ish nuqtalarida 100 °C dan oshishi mumkinligi hisoblangan. Shu sababli tadqiqot an’anaviy membranali namlagich oʻrniga kompressordan keyin taxminan 25 µm oʻlchamdagi suv tomchilarini purkaydigan tizimni oʻrganishni taklif qiladi. Bugʻlanadigan tomchilar havoni bir vaqtning oʻzida sovitishi va namlashi kutiladi; biroq bu yechim ushbu tadqiqotda bevosita modellashtirilmagan yoki tajribada sinovdan oʻtkazilmagan.

Turkiya nuqtayi nazaridan ehtimoliy ahamiyati

Tadqiqotda Turkiyaga tegishli yoqilgʻi elementi, iqlim, transport yoki parvoz ma’lumotlari ishlatilmagan. Shunga qaramay, usul Turkiyada ishlab chiqilishi mumkin boʻlgan vodorodli havo transport vositalari, uchuvchisiz uchish apparatlari, ogʻir tijorat transport vositalari, dengiz transporti va statsionar quvvat tizimlarida yuqori quvvat zichligiga ega PEM yoqilgʻi elementlarini loyihalash uchun ahamiyatlidir. Xususan, yupqa metall gaz diffuziya qatlamlari issiqlik boshqaruvini yaxshilar ekan, suv bosishi xavfini bartaraf etmasligi faqat materialning issiqlik oʻtkazuvchanligiga e’tibor qaratish yetarli emasligini koʻrsatadi.

Natijalarni Turkiyadagi tizimga koʻchirish uchun haqiqiy metall plastina geometriyasini oʻlchash, qoplama va korroziya xatti-harakatini oʻrganish, turli iqlim haroratlari va balandlik bosimlarini modelga qoʻshish, mahalliy kompressor va namlash tizimlarining dinamik xatti-harakatini baholash hamda hisob-kitoblarni tajribaviy bitta hujayra yoki qisqa stek sinovlari bilan tasdiqlash kerak. Tadqiqot biror turk yoqilgʻi elementi tizimi 5–6 A/cm² tok zichligida ishlashi, aviatsiya uchun xavfsiz ekani yoki purkagichli namlash membranali tizimlardan aniq ustun ekanini isbotlamaydi.

Tadqiqotning asosiy savoli nima?

PEM yoqilgʻi elementlarida gaz diffuziya qatlami oqim kanalidagi kislorodning katalizator qatlamiga yetib borishi, reaksiya suvining chiqarilishi, elektr tokining oʻtkazilishi va issiqlikning bipolyar plastinaga uzatilishiga yordam beradi. An’anaviy katod gaz diffuziya qatlamlari koʻpincha uglerod tolali qogʻozdan tayyorlanadi. Bu materiallarning gʻovakligi yuqori boʻlsa-da, qalinlik yoʻnalishidagi issiqlik oʻtkazuvchanligi odatda cheklangan.

Tadqiqot uglerod tolali qogʻoz oʻrniga kimyoviy yemirishga oʻxshash usullar bilan muntazam teshiklar ochilgan yupqa metall plastina qoʻyilsa, hujayra yuqori tok zichliklarida qanday ishlashini oʻrgangan. Asosiy savol — metall plastinaning yuqori issiqlik oʻtkazuvchanligi hujayrani ortiqcha qizib ketishdan himoya qila oladimi va shundan keyin ishlash chegarasini qaysi tashilish mexanizmi belgilaydi.

PEM yoqilgʻi elementidagi elektrokimyoviy reaksiyalar

Anod tomonida vodorod protonlar va elektronlarga ajraladi:

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

Katod tomonida kislorod membranadan kelgan protonlar va tashqi zanjirdan kelgan elektronlar bilan birikib suv hosil qiladi:

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

Hujayraning umumiy reaksiyasi quyidagicha:

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

Elektronlar tashqi zanjir orqali oʻtib elektr quvvatini hosil qilganda protonlar elektrolit membranadan oʻtadi. Katodda hosil boʻlgan suvning bir qismi membranani namlaydi, bir qismi gaz fazasiga bugʻlanadi va bir qismi gʻovaklarda suyuqlik sifatida toʻplanishi mumkin.

Nega teshikli metall gaz diffuziya qatlami taklif qilinmoqda?

Metall plastinalarda teshik diametri, teshik joylashuvi va teshik zichligini ishlab chiqarish vaqtida belgilash mumkin. Tadqiqotchilar kanal kirishida quruq havo boʻlganda past gʻovaklik reaksiya suvini membranaga yaqin ushlab turishi mumkinligini; chiqish tomonga qarab kislorod kamayib, namlik oshganda esa yuqoriroq teshik zichligi kislorod tashilishini osonlashtirishi mumkinligini ta’kidlaydi.

Teshiklarning qattiq boʻrtmalar ostida joylashmasligi elektr va issiqlik kontakt qarshiligini kamaytirishi mumkin. Biroq tekis metall teshiklar faqat qalinlik yoʻnalishida tashilishni ta’minlaydi. Qattiq boʻrtmalar ostiga kislorod yetkazish uchun metall plastina bilan katalizator qatlami orasida mikrogʻovak qatlam ishlatilishi kerak.

Tadqiqotda ishlatilgan metall plastinaning nominal qalinligi 50 µm, teshik diametri 100 µm va gʻovakligi %39,3. Uglerod tolali qogʻozlarda gʻovaklik taxminan %80 darajasida boʻlishi mumkin boʻlsa-da, metall plastina ancha yupqa va issiqlik oʻtkazuvchanligi ancha yuqori.

Modelning asosiy farazlari

• Yechim barqaror holatdadir; ishga tushirish, yuk oʻzgarishi yoki vaqtinchalik suv harakatlari modellashtirilmagan.
• Gaz fazasi ideal va zaif siqiluvchan deb qabul qilingan.
• Oqim laminar deb qabul qilingan, turbulentlik modeli ishlatilmagan.
• Suyuqlik fazasi siqilmaydi va sof suvdan iborat.
• Gaz va suyuqlik fazalari uchun alohida saqlanish tenglamalari yechilgan.
• Elektr potensiali va batafsil elektrod kinetikasi yechilmagan.
• Mahalliy tok zichligi mahalliy kislorod konsentratsiyasiga bogʻliq soddalashtirilgan munosabat orqali hisoblangan.
• Elektro-osmotik tortish koeffitsiyenti oʻzgarmas va bir deb olingan.
• Katod va anod katalizator qatlamlaridagi umumiy doimiy ortiqcha kuchlanish 550 mV deb qabul qilingan.
• Membrananing taxminan %15 gacha yetishi mumkin boʻlgan shishishi e’tiborga olinmagan.
• Vodorod va kislorodning membrana orqali krossoveri modellashtirilmagan.

Koʻp suyuqlikli saqlanish tenglamalari

Gaz va suyuqlik fazalari uchun uzluksizlik tenglamasi quyidagi umumiy koʻrinishda yechilgan:

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

\(\varepsilon\) gʻovaklikni, \(r_\alpha\) fazaning hajm ulushini, \(\rho_\alpha\) zichlikni va \(\mathbf{U}_\alpha\) tezlik vektorini bildiradi. Oxirgi hadlar bugʻlanish va kondensatsiya tufayli fazalar orasidagi massa almashinuvini ifodalaydi. Ochiq kanallar va metall plastinadagi teshiklar uchun gʻovaklik bir deb qabul qilingan.

Har bir fazaning impuls muvozanati bosim, yopishqoq kuchlanish, gʻovak muhit qarshiligi va faza almashinuvidan kelib chiqadigan impuls uzatilishini oʻz ichiga oladi:

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

Kuchlanish tenzori:

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

koʻrinishidadir. Gʻovak qatlamlardagi kapillyar tashilish va Darcy turidagi oqim qarshiligi impuls tenglamalariga qoʻshilgan hajmiy kuchlar bilan ifodalangan.

Kislorod, suv bugʻi va energiya tashilishi

Gaz aralashmasidagi har bir komponentning tashilishi quyidagi tenglama bilan hisoblangan:

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

\(Y_i\) massa ulushini, \(D_{i,m}\) esa komponentning fon gazidagi ikkilik diffuziya koeffitsiyentini bildiradi. Katodda kislorod va suv bugʻi yechilganda azot fon gazidir. Anodda vodorod va suv bugʻidan iborat ikkilik aralashma qabul qilingan.

Suyuqlik fazalaridagi energiya muvozanati:

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

koʻrinishidadir. Umumiy entalpiya:

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

deb ta’riflangan. Metall plastina va membrana kabi qattiq hududlarda barqaror issiqlik oʻtkazilishi:

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

tenglamasi bilan yechilgan.

Gaz zichligi va gʻovak muhit diffuziyasi

Gaz zichligi ideal gaz munosabati bilan hisoblangan:

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

Aralashmaning molekulyar massasi:

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

deb aniqlangan. Gʻovak muhit ichidagi samarali diffuziya koeffitsiyenti esa gʻovaklik va egri-bugrilikdan foydalanib:

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

koʻrinishida tuzatilgan. Metall plastinadagi tekis teshiklarda egri-bugrilik bir, mikrogʻovak qatlamda esa uch deb qabul qilingan.

Membranada suv tashilishi

Tadqiqotning ikkinchi hisoblash sohasi membrana va katalizator qatlamlaridagi erigan suv tashilishini hisoblaydi. Asosiy tenglama:

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

koʻrinishidadir. \(\lambda\) membranadagi har bir sulfon kislotasi guruhiga toʻgʻri keladigan suv molekulalari sonini ifodalovchi oʻlchovsiz suv miqdoridir.

Elektro-osmotik tortish hadi:

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

va muvozanatdan tashqari yutilish-desorbsiya hadi:

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

koʻrinishida qoʻllangan. Membrana suv konsentratsiyasi bilan suv miqdori oʻrtasidagi munosabat:

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

koʻrinishidadir. Elektro-osmotik tortish suvni anoddan katodga olib oʻtsa, konsentratsiya farqiga bogʻliq diffuziya teskari yoʻnalishda ishlashi mumkin. Barqaror holatda ushbu mexanizmlarning sof muvozanati membranadan oʻtadigan jami suv miqdorini belgilaydi.

Muvozanatdagi suv miqdori suv faolligiga bogʻliq kubik munosabat bilan hisoblangan:

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

Membranadagi suv diffuziya koeffitsiyenti \(\lambda\) va haroratga bogʻliq. Modelda qoʻllangan munosabat past suv miqdorida diffuziyaning tez pasayishini va \(\lambda>5\) boʻlganda taxminan doimiy sohaga oʻtishini ifodalaydi. Tekshirilgan barcha ish nuqtalarida membrana suv miqdori beshdan yuqori boʻlib qolgan.

Elektrokimyoviy manba va sarf hadlari

Katod katalizator qatlamidagi kislorod sarfi:

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

va suyuq suv hosil boʻlishi:

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

deb ta’riflangan.

Batafsil Butler–Volmer kinetikasi oʻrniga mahalliy hajmiy tok zichligi quyidagi soddalashtirilgan munosabat bilan hisoblangan:

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

Tadqiqotda \(\gamma=0{,}5\) olingan. Shu tariqa kislorod konsentratsiyasi yuqori boʻlgan teshiklar ostida koʻproq, suv toʻplangan qattiq boʻrtmalar ostida esa kamroq tok hosil boʻladi. Bu ifoda mexanizmni soddalashtiradi va haqiqiy katalizator kinetikasining bevosita yechimi emas.

Hisoblash sohalari

Model alohida, biroq geometrik jihatdan mos keladigan ikki hisoblash sohasidan iborat:

• Hisoblash sohasi I: Anod va katod kanallari, gaz va suyuqlik fazalari, metall GDL, anod uglerod tolali GDL, mikrogʻovak qatlamlar, katalizator qatlamlari hamda membrana ichidagi harorat taqsimoti yechilgan. Bu sohada membrana turlar oʻtishiga yopiq, issiqlik oʻtkazuvchi qattiq jism sifatida koʻrilgan.
• Hisoblash sohasi II: Membrana va katalizator qatlamlaridagi erigan suv tashilishi, elektro-osmotik tortish, muvozanatdan tashqari yutilish va teskari diffuziya hisoblangan.

2-rasm va uning toʻliq sahifali ekvivalenti boʻlgan 29-sahifa ikki hisoblash sohasining katod kanali, metall GDL, katod MPL, anod GDL va membrana bilan qanday moslashtirilganini koʻrsatadi.

Hisoblash toʻri

CFX-4 dasturining blokli tuzilgan toʻr talabi sababli faqat olti yoqli hujayralardan foydalanilgan. Geometriya jami 507 blok va 37.920 hujayradan iborat. Teshik egriligini yechish uchun toʻr metall GDL atrofida zichlashtirilgan.

• Katod kanali balandligida 10 hujayra ishlatilgan.
• Anod kanali balandligida 8 hujayra ishlatilgan.
• Har bir yarim teshik har bir gorizontal tekislikda 48 hujayra va balandlik boʻylab 5 qatlam bilan ifodalangan.
• Bitta yarim teshikda jami 240 hujayra mavjud.
• Modellashtirilgan kanal qismi atigi 0,6 mm uzunlikda.
• Simmetrik geometriyada beshta yarim teshik mavjud.

Tadqiqot algebraik koʻp toʻrli yechuvchi toʻrdan nisbatan mustaqil xatti-harakatni ta’minlashini bildiradi. Biroq turli hujayra zichliklarini solishtiruvchi tizimli toʻr mustaqilligi jadvali yoki xato mezoni taqdim etilmagan.

Bir oʻlchamli modelning geometrik kirish ma’lumotlari

1-jadvalda teshik oraligʻi 0,414 mm deb berilgan boʻlsa-da, keyingi paragrafda 42,4 µm ifodasi ishlatilgan. Bu ikki qiymat markazlar orasidagi masofa, teshik chetlari orasidagi masofa yoki boshqa geometrik ta’rif ekanligi tushuntirilmagan. Shu sababli geometriyani qayta qurmoqchi boʻlgan tadqiqotchilar asl mualliflardan izoh soʻrashlari kerak.

Uch oʻlchamli modelda ishlatilgan material xususiyatlari

Mikrogʻovak qatlamning issiqlik oʻtkazuvchanligi bir oʻlchamli modelda 1,0 W/(m·K), uch oʻlchamli modelda 0,5 W/(m·K) deb olingan. Tadqiqotda bu oʻzgarishning natijalarga ta’siri alohida baholanmagan.

Yuqori bosimli ish sharoitlari

Bir oʻlchamli modelda katod chiqish bosimi 160 kPa va kirish nisbiy namligi faqat %5 deb qabul qilingan. Har bir tok zichligi uchun katod stexiometriyasi kanal chiqishi %100 nisbiy namlikka yetadigan tarzda hisoblangan.

30 °C atrof-muhit haroratida 4,0 A/cm² ish nuqtasi uchun kompressor chiqishi 374,8 K, taxminan 101,7 °C. Bu havo ayni paytda juda past nisbiy namlikka ega. Demak, bosimning oshishi kislorod konsentratsiyasini koʻpaytirar ekan, kirish havosini qizdiradi va quritadi.

Nazariy chegaraviy tok va kislorod diffuziyasi

Bir oʻlchamli modelda chegaraviy tok:

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

munosabati bilan hisoblangan. Kislorodning havodagi diffuziya koeffitsiyenti harorat va bosimga bogʻliq ravishda:

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

koʻrinishida qoʻllangan. Bosim oshgani sari kislorodning molyar konsentratsiyasi koʻpayadi, biroq diffuziya koeffitsiyenti kamayadi. Bir fazali model suyuq suvning gʻovaklarni berkitishini hisobga olmagani uchun haqiqiy uch oʻlchamli natijalarni sezilarli darajada yuqori baholagan.

Qisqa kanal qismidagi chegaraviy shart

Haqiqiy kanal uzunligi 120 mm boʻlsa-da, uch oʻlchamli geometriya atigi 0,6 mm uzunlikda. Bir xil kirish tezligini saqlash uchun katod stexiometriyasi:

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

koʻrinishida tuzatilgan. Shu sababli qisqa qismda juda yuqori koʻrinadigan stexiometriya ishlatilgan. Qism katod kirishiga joylashtirilgani uchun tok zichligi oʻzgartirilganda gaz sarfi doimiy saqlangan, shuning uchun mahalliy katod stexiometriyasi tok zichligiga teskari mutanosib boʻlgan.

Anod tomonida toʻliq kanal uchun stexiometriya 1,05 deb qabul qilingan; qisqa kesim anod chiqishiga mos keladi deb faraz qilinib, tuzatilgan mahalliy stexiometriya 11 sifatida qoʻllangan. Qisqa qismda gaz tarkibi kanal yoʻnalishida juda kam oʻzgargani sababli anod va katod oqimlarining bir xil yoki qarama-qarshi yoʻnalishda boʻlishi natijalar uchun ahamiyatsiz deb qabul qilingan.

Suv tortilishi va membrananing qurishi

Sof suv tortish koeffitsiyenti:

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

koʻrinishida ta’riflangan. Toʻyingan vodorod kirishida anod qurimasdan saqlanishi mumkin boʻlgan maksimal tortilish:

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

deb hisoblangan. 80 °C da toʻyinganlik bosimi 47,415 kPa va anod bosimi 101,3 kPa deb olinganda \(r_{d,\mathrm{max}}=4{,}84\) topilgan.

Membranadan oʻtadigan suvning kondensatsiyasi va qayta bugʻlanishi muhim yashirin issiqlikni tashiydi. \(r_d=0{,}5\) uchun tortilishdan kelib chiqadigan yashirin issiqlik:

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

va 600 mV ekvivalent kuchlanish yoʻqotishiga asoslangan chiqindi issiqlik:

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

koʻrinishida ifodalangan. Ikki qiymat orasidagi nisbat:

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

deb topilgan. Bu hisob suvning membranaga kirishi va undan chiqishidagi faza almashinuvi issiqligini hujayraning issiqlik muvozanatida e’tiborsiz qoldirib boʻlmasligini koʻrsatadi.

Tok zichligi ortishi bilan kislorod va harorat qanday oʻzgargan?

5-rasmga koʻra katod katalizator qatlamidagi oʻrtacha kislorod konsentratsiyasi tok zichligi oshgani sari muntazam kamaygan. Eng keskin pasayish 2–3 A/cm² oraligʻida yuz bergan. Tadqiqotchilar bu burilishni bir fazali oqimdan suyuq suv mavjud boʻlgan koʻp fazali oqimga oʻtish bilan bogʻlagan.

Maksimal mahalliy harorat ham shu oraliqda koʻtarilgan, biroq oshish cheklangan. 4,0 A/cm² da hujayra nominal 80 °C ish haroratidan taxminan 2,5 °C yuqoriga koʻtarilgan. Uglerod tolali qogʻoz ishlatilgan avvalgi hisoblarda qayd etilgan ancha yuqori harorat koʻtarilishlariga nisbatan bu natija metall plastinaning issiqlikni tarqatish qobiliyati kuchli ekanini koʻrsatadi.

Membrana gidratatsiyasi qanday oʻzgargan?

6-rasmda oʻrtacha membrana suv miqdori 1,0 A/cm² da taxminan \(\lambda=7\), 2,0 A/cm² da taxminan \(\lambda=10\) va 3–4 A/cm² da taxminan \(\lambda=13–14\) darajasida. Kirish nisbiy namligi faqat %5 boʻlishiga qaramay, yuqori bosim va reaksiya suvi membranani butunlay qurib qolishdan saqlagan.

Past tokda sof suv tortish koeffitsiyenti taxminan birga yaqin. Tok oshgani sari katod tomonidagi namlik va yutilish hadi ortgan, shu tariqa elektro-osmotik tortishning sof ta’siri kamaygan. Natijalar bir xil quruq kirish sharoitida hujayra 2 A/cm² va undan yuqorida ishlay olishi, ammo 1 A/cm² va undan past yuklarda membrananing yetarlicha namlanmaslik xavfi borligini koʻrsatadi.

4,0 A/cm² holatida harorat taqsimoti

7-rasmda metall GDL teshiklaridagi gaz harorati atrofdagi qattiq metalldan bir oz yuqori ekani koʻrinadi. Mikrogʻovak qatlam bilan kanal orasidagi harorat gradienti hosil boʻlgan suvning bir qismini bugʻ fazasida chiqarishga yordam beradi.

Anod katalizator qatlamida elektrokimyoviy chiqindi issiqlikdan tashqari qoʻshimcha issiqlik manbai mavjud. Musbat sof suv tortilishida suv anod tomonida membranaga kirayotganda kondensatsiya yoki yutilish issiqligi ajralib chiqadi. Katod tomonida ayni suv membranadan chiqayotganda xuddi shunday kattalikdagi sovitish hadi qoʻllangan.

Kislorod taqsimoti

8-rasm juda yuqori gaz sarfi sababli 0,6 mm lik qism boʻylab kislorod konsentratsiyasi deyarli oʻzgarmasligini koʻrsatadi. Bunga qarshi kanal bilan katalizator qatlami orasida qalinlik yoʻnalishida kuchli gradient mavjud.

Metall plastinaning ochiq teshiklari ichida kislorod konsentratsiyasi taxminan bir jinsli. Asosiy qarshilik suyuq suv mavjud boʻlgan mikrogʻovak va katalizator qatlamlarida yuzaga keladi. Taxminan 1,74 bar ish bosimi kanal kislorod konsentratsiyasini oshirsa-da, suyuq suvning gʻovaklarni qisman berkitishi katalizator yuzasiga tashiladigan kislorodni cheklagan.

Nisbiy namlik taqsimoti

9-rasmda quruq kirish va yuqori gaz sarfi sababli katod kanalidagi nisbiy namlik juda past. Shunga qaramay, gʻovak qatlamlar ichida nisbiy namlik taxminan birga yetgan va qattiq boʻrtmalar ostida ayrim joylarda toʻyinganlikdan oshgan.

Bu holat ikki tomonlama natija keltiradi. Yuqori mahalliy namlik membrananing yaxshi gidratlanishini ta’minlar ekan, ayni paytda kondensatsiya va suyuq suv hosil boʻlishiga olib keladi. Demak, hujayrani past namlikdan himoya qilish yuqori tokda suv bosishi xavfini ham keltirib chiqaradi.

Suyuq suv qayerda toʻplangan?

10-rasm suyuq suvning katta qismi ochiq teshiklar ichida emas, balki metall plastinaning qattiq boʻrtmalari ostida toʻplanganini koʻrsatadi. Teshiklar quruq qolgan holda mikrogʻovak qatlam va katalizator qatlamida turli toʻyinganlik darajalari yuzaga kelgan.

Qatlamlar orasidagi toʻyinganlik sakrashi oʻtkazuvchanlik, gidrofoblik va qaytarilmas toʻyinganlik qiymatlarining farqidan kelib chiqadi. Katalizator qatlamining qaytarilmas toʻyinganligi mikrogʻovak qatlamnikidan yuqori deb qabul qilingan.

Model qismining kirish va chiqish chetlarida suv toʻplanishi oʻrta qismdagidan koʻproq. Ayniqsa chiqishdagi ortish haqiqiy kanal davomi oʻrniga devor chegaraviy sharti qoʻllanganidan ta’sirlangan. Tadqiqotchilar bu sun’iy chegara 5 A/cm² yechimdagi sonli qiyinchilikni kuchaytirgan boʻlishi mumkinligini ta’kidlaydi.

Suv hosil boʻlishi bilan suv toʻplanishi bir joydami?

11-rasmda eng yuqori mahalliy tok zichligi metall plastinaning ochiq teshiklari ostida kuzatiladi. Bu hududlarda kislorod konsentratsiyasi yuqoriroq va koʻproq reaksiya suvi hosil boʻladi.

Bunga qarshi eng yuqori suyuq suv toʻplanishi qattiq boʻrtmalar ostida yuzaga kelgan. Demak, eng koʻp suv hosil boʻladigan hudud bilan suv tashilish qarshiligi tufayli toʻplanadigan hudud bir xil emas. Mahalliy hajmiy tok zichliklarining eng yuqori va eng past qiymatlari orasida taxminan besh baravar farq hisoblangan.

Membranadagi mahalliy suv taqsimoti

12-rasm membrana suv miqdori metall GDL teshiklari ostida pastroq ekanini koʻrsatadi. Buning sababi quruq kanal havosining shu nuqtalardan gʻovak qatlamlarga bevosita yetib borishidir.

Anod katalizator qatlamidagi elektrolit fazasi musbat sof suv tortilishi sababli katod tomonidagi elektrolitga qaraganda yaxshiroq gidratlangan. Modelda suv tashilishining haqiqiy oʻtish mexanizmi konsentratsiya farqiga asoslangan diffuziyadir; musbat sof tortilish anoddan katodga jami suv uzatilishiga mos keladi.

Nega bir oʻlchamli model 10–11 A/cm² ni bashorat qilganda uch oʻlchamli model 5–6 A/cm² ni koʻrsatgan?

Bir oʻlchamli model faqat gaz fazasidagi kislorod konsentratsiyasi va ideallashtirilgan diffuziya yoʻlidan foydalanadi. U suyuq suvning gʻovak qatlamlarda toʻplanishini hisobga olmaydi. Shu sababli yuqori bosim ta’minlagan kislorod ortishini ishlash samaradorligiga bevosita aks ettirgan.

Uch oʻlchamli koʻp suyuqlikli model esa reaksiya suvining kondensatsiyasi, kapillyar tashilishi va gʻovaklarda hosil qilgan hajmiy toʻsigʻini yechadi. Tok oshgani sari nafaqat kislorod sarfi, balki suv hosil boʻlishi ham ortib, samarali gaz oʻtish maydonini kichraytirgan. Bu qayta aloqa nazariy chegaraviy tokni taxminan yarmiga kamaytirgan.

Tadqiqotning asosiy natijasi shuki, metall plastinaning yuqori issiqlik oʻtkazuvchanligi bilan termal cheklov katta darajada kamaytirilishi mumkin; biroq suv boshqaruvi hal qilinmasa, kislorod tashilishi yangi ishlash chegarasiga aylanadi.

Kompressor va namlash muammosi

Yuqori bosim uchun zarur kompressor kirish havosini qizdiradi. Kompressor chiqish harorati quyidagi munosabat bilan hisoblangan:

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

Modelda kompressorning izentropik samaradorligi %80 va havo uchun \(\kappa=1{,}4\) deb olingan. Harorat oshganda havo sigʻdira oladigan toʻyingan suv bugʻi miqdori ortadi; bir xil mutlaq suv miqdorida nisbiy namlik keskin kamayadi. Masalan, 20 °C da %100 nam havo 80 °C gacha qizdirilganda taxminan %5 nisbiy namlikka mos kelishi mumkin.

Membranali namlagich kompressordan oldin joylashtirilsa, havo kompressorda qayta qiziydi va nisbiy namligi kamayadi. Kompressordan keyin joylashtirilsa, juda issiq va quruq havo namlagich membranasiga zarar yetkazishi mumkin. Tadqiqot, shuningdek, Nafion turidagi membranalarning narxi, boshqaruv kechikishi va per- hamda polifluoroalkil moddalarni oʻz ichiga olishi kabi kamchiliklarga e’tibor qaratadi.

Purkagichli namlash taklifi

Tadqiqotchilar kompressordan keyin havo oqimiga mikrooʻlchamdagi suv tomchilarini purkashni taklif qiladi. Tomchilarning bugʻlanishi bir vaqtning oʻzida ikki vazifani bajarishi mumkin:

• Bugʻlanishning yashirin issiqligi yordamida issiq kompressor havosini sovitish.
• Havoga suv bugʻi qoʻshib nisbiy namlikni oshirish.

Avvalgi bir bugʻlatib sovitish tadqiqotiga asoslanib, toʻliq bugʻlanish uchun diametri taxminan 25 µm boʻlgan tomchilarni oʻrganish mumkinligi koʻrsatilgan. Mos diametr havo harorati, nisbiy namlik, tomchining qolish vaqti, purkash geometriyasi va rezervuar oʻlchamiga bogʻliq.

Bu purkagichli tuzilma amaldagi yoqilgʻi elementi modeliga kiritilmagan. Soplo soni, tomchi taqsimoti, devor namlanishi, suyuq suv tashilishi, boshqaruv tizimi va energiya sarfi alohida oʻrganilishi kerak.

Rasmlarning ilmiy xabari

Tadqiqotning kuchli tomonlari

• Gaz va suyuqlik fazalarini alohida saqlanish tenglamalari bilan yechadigan koʻp suyuqlikli model qoʻllangan.
• Kislorod, suv bugʻi, suyuq suv, harorat va membrana gidratatsiyasi bir xil fizik asosda baholangan.
• Metall plastinadagi 100 µm teshiklar ekvivalent gʻovak muhit sifatida soddalashtirilmay, bevosita toʻrda yechilgan.
• Bir oʻlchamli bir fazali bashorat bilan uch oʻlchamli koʻp fazali natija orasidagi farq tushuntirilgan.
• Issiqlik cheklovi bilan suv va kislorod tashilish cheklovi bir-biridan ajratilgan.
• Membranadan suv tortilishining yashirin issiqlik ta’siri energiya tenglamasiga qoʻshilgan.
• Tok zichligiga bogʻliq membrana gidratatsiyasi va sof suv tortilishi tendensiyalari taqdim etilgan.
• Mahalliy tok hosil boʻlishi bilan suyuq suv toʻplanishi turli hududlarda sodir boʻlishi koʻrsatilgan.
• Tizim darajasidagi kompressor qizishi bilan hujayra ichidagi namlik boshqaruvi birgalikda muhokama qilingan.

Tadqiqotning cheklovlari

• Tadqiqot hakamlar baholashidan oʻtmagan preprintdir.
• Faqat 0,6 mm uzunlikdagi juda qisqa kanal qismi modellashtirilgan.
• Haqiqiy chiqish davomi oʻrniga qoʻllangan devor chegarasi mahalliy suv toʻplanishini oshirgan boʻlishi mumkin.
• 5 A/cm² yechim sonli qiyinchilik sababli yakunlanmagan, batafsil tahlil 4 A/cm² bilan cheklangan.
• Ushbu maxsus yuqori bosimli metall GDL geometriyasi uchun bevosita tajribaviy tasdiqlash taqdim etilmagan.
• Tizimli toʻr mustaqilligi va sonli noaniqlik tahlili berilmagan.
• Oqim laminar va barqaror deb qabul qilingan; tomchi harakati, vaqtinchalik suv tiqinlari va kanal ichidagi tebranishlar yechilmagan.
• Mahalliy tok zichligi batafsil elektrokimyoviy kinetika oʻrniga kislorod konsentratsiyasiga bogʻliq empirik ifoda bilan hisoblangan.
• Ortiqcha kuchlanish barcha ish nuqtalarida doimiy deb olingan.
• Elektro-osmotik tortish koeffitsiyenti doimiy deb qabul qilingan.
• Membrana shishishi, gaz krossoveri, metall korroziyasi va qoplama qarshiligi modellashtirilmagan.
• Bipolyar plastinalar va anod mikrogʻovak qatlami toʻrda yechilmagan.
• GDL teshik oraligʻi va MPL issiqlik oʻtkazuvchanligi boʻyicha matn ichida nomuvofiqliklar mavjud.
• Tugallanmagan manba joy tutgichi va boshqa versiyada qoʻshilgan takroriy grafiklar hujjat nazorati hali yakunlanmaganini koʻrsatadi.
• Purkagichli namlash faqat taklif darajasida.

Tadqiqot qoʻllab-quvvatlaydigan xulosalar

• Teshikli metall GDL tekshirilgan modelda yuqori tok zichliklarida hujayra ichidagi harorat koʻtarilishini cheklaydi.
• Tok zichligi oshgani sari reaksiya suvi membrana gidratatsiyasini oshiradi.
• Taxminan 2–3 A/cm² hududida model bir fazali holatdan suyuq suv mavjud boʻlgan koʻp fazali holatga oʻtadi.
• Suyuq suv ayniqsa metall plastinaning qattiq boʻrtmalari ostida toʻplanadi.
• Suv bosishi kislorod tashilishini kamaytirib, erishish mumkin boʻlgan tok zichligini bir fazali nazariy qiymatdan pastga tushiradi.
• Bir oʻlchamli model taxminan 11 A/cm² ni bashorat qilsa, koʻp fazali natijalar taxminan 5–6 A/cm² hududini koʻrsatadi.
• Kirish havosining namlik talabi tok zichligiga bogʻliq; bir xil quruq kirish sharti butun yuk oraligʻi uchun mos emas.
• Kompressor chiqishidagi issiq va quruq havo yoqilgʻi elementini namlashni qiyinlashtiradi.

Tadqiqot isbotlamaydigan xulosalar

• Tadqiqot haqiqiy yoqilgʻi elementi tajribada 5–6 A/cm² tok zichligida barqaror ishlashini isbotlamaydi.
• Metall GDL barcha turdagi uglerod tolali GDLlardan ustun ekanini koʻrsatmaydi.
• Metall plastinaning korroziyasi, mexanik charchashi, qoplama xizmat muddati yoki uzoq muddatli elektr kontakt koʻrsatkichlarini baholamaydi.
• Taxminan 2,5 °C harorat koʻtarilishi barcha hujayra geometriyalari va stek dizaynlari uchun amal qilmaydi.
• Purkagichli suv tizimi membranali namlagichdan samaraliroq, yengilroq yoki ishonchliroq ekani tajribada koʻrsatilmagan.
• Bitta hujayradagi qisqa kanal natijasini bevosita samolyot, transport vositasi yoki megavatt miqyosidagi yoqilgʻi elementi stekiga koʻchirish mumkin emas.
• Sonli yechim haqiqiy tizimning quvvat zichligi, hujayra kuchlanishi, samaradorligi yoki yordamchi tizim energiya sarfini hisoblamaydi.
• Tadqiqot xavfsizlik, sertifikatlash yoki tijoriy qoʻllanish imkoniyatini baholamaydi.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Texnik usul xulosasi

Tok zichligiga bogʻliq asosiy natijalar

4,0 A/cm² batafsil yechimining topilmalari

• Ish bosimi taxminan 1,74 bar darajasida.
• Metall GDL sababli maksimal harorat koʻtarilishi taxminan 2,5 °C bilan cheklangan.
• Katod kanalida nisbiy namlik juda past, gʻovak qatlamlarda taxminan %100 yoki undan yuqori.
• Metall plastina teshiklari katta darajada quruq qolgan.
• Suyuq suv asosan metall plastinaning qattiq boʻrtmalari ostidagi MPL va katalizator qatlamida toʻplangan.
• Kislorod konsentratsiyasi kanal boʻylab taxminan doimiy, qalinlik yoʻnalishida esa kuchli gradientga ega.
• Eng yuqori mahalliy tok zichligi ochiq teshiklar ostida yuzaga kelgan.
• Eng past mahalliy tok zichliklari suv toʻplanishi yuqori boʻlgan qattiq boʻrtmalar ostida kuzatilgan.
• Membrana suv miqdori quruq havo yetib borishi kuchli boʻlgan teshiklar ostida mahalliy ravishda pastroq.
• Anod tomonidagi elektrolit fazasi musbat sof suv tortilishi sababli katod tomoniga qaraganda yaxshiroq gidratlangan.

Bir va uch oʻlchamli modelni taqqoslash

Umumiy ilmiy baholash

Tadqiqot yuqori tok zichlikli PEM yoqilgʻi elementlarini faqat bitta material xususiyati bilan yaxshilab boʻlmasligini koʻrsatadi. Metall gaz diffuziya qatlamining yuqori issiqlik oʻtkazuvchanligi uglerod tolali qogʻoz bilan bogʻliq mahalliy ortiqcha qizishni sezilarli darajada kamaytirgan. Biroq ayni metall tuzilmaning muntazam va pastroq umumiy gʻovakligi, ayniqsa qattiq boʻrtmalar ostidagi suvni chiqarish muammosini oʻzi hal qilmagan.

Ishlash samaradorligini oshirish uchun teshik diametri, teshik zichligi, kanal-qattiq boʻrtma tartibi, mikrogʻovak qatlam oʻtkazuvchanligi, gidrofoblik va qaytarilmas toʻyinganlik birgalikda optimallashtirilishi kerak. Teshiklarni faqat kislorod kirish nuqtasi sifatida emas, harorat va mahalliy namlik taqsimotini shakllantiruvchi unsurlar sifatida ham baholash lozim.

Tadqiqotning tizim darajasidagi muhim xabari shuki, hujayra ichidagi suv boshqaruvini kompressor va namlash tizimidan alohida koʻrib boʻlmaydi. Yuqori bosim kislorod konsentratsiyasini oshirar ekan, havoni qizdirib quritadi; past yukda membrana qurishi, yuqori yukda esa gʻovak qatlamlarda suv bosishi yuzaga kelishi mumkin. Shu sababli kirish namligi tok zichligiga qarab faol boshqarilishi kerak.

Natijalar teshikli metall GDL yondashuvi tadqiq qilishga arziydiganini koʻrsatadi; biroq ushbu tadqiqot hali dizaynni tasdiqlash emas. Toʻliq kanal uzunligi, haqiqiy elektrokimyoviy polarizatsiya, dinamik yuk oʻzgarishlari, metall korroziyasi, tajribaviy suv taqsimoti va purkagichli namlagichning yordamchi quvvat sarfi birgalikda oʻrganilmasdan tijoriy tizim ishlashi haqida qat’iy xulosa chiqarib boʻlmaydi.

Manba va Usul Haqida Izoh

Tadqiqotning toʻliq asl nomi: A Computational Fluid Dynamics Analysis of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell with a Perforated Metal Gas Diffusion Layer

Mualliflar va ularning tartibi: Torsten Berning; Volodymyr Korobko; Shiro Tanaka.

Hammuallif birinchi muallif: Teng hissa yoki ham-birinchi mualliflik haqidagi ma’lumot tadqiqotda keltirilmagan.

Mas’ul muallif: Torsten Berning. Tadqiqotda aloqa manzili tbe@et.aau.dk sifatida berilgan.

Muallif–muassasa mosliklari:

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

SSRN qaydining qisqacha ma’lumotida Volodymyr Korobkoning muassasasi kengroq shaklda “Admiral Makarov National University of Shipbuilding” deb koʻrsatilgan. Asosiy mazmunda muassasa nomi tadqiqotning mualliflar qatorida berilgan shaklda saqlangan.

DOI: 10.2139/ssrn.7201556

Manba turi: Hisoblash suyuqliklar dinamikasi, koʻp fazali tashilish va sonli modellashtirish boʻyicha preprint tadqiqot maqolasi.

Nashr platformasi: SSRN.

Jurnal: Ushbu tadqiqotda hakamli jurnal nomi yoki nashr qilingan jurnal versiyasi keltirilmagan.

Nashriyot: Alohida jurnal nashriyoti koʻrsatilmagan; tadqiqot SSRN preprint qaydi sifatida taqdim etilgan.

Nashr yili: 2026.

Hakamlik holati: Tadqiqot hakamlar baholashidan oʻtmagan. Har bir sahifada “Preprint not peer reviewed” ogohlantirishi mavjud.

Rasmiy qayd:SSRN rasmiy qayd sahifasi

DOI havolasi:10.2139/ssrn.7201556

Moliyalashtirish: Mualliflar tadqiqot hech qanday moliyalashtirish olmaganini bildirgan.

Manfaatlar toʻqnashuvi: Ushbu versiyada alohida manfaatlar toʻqnashuvi bayonoti mavjud emas.

Ma’lumotlar va kod mavjudligi: Tadqiqotda ma’lumotlar ombori, kod ombori yoki qayta ishlab boʻladigan simulyatsiya fayliga havola berilmagan.

Muallif hissalari:

• Torsten Berning: Konseptuallashtirish, usul, formal tahlil, dastlabki qoralamani yozish, koʻrib chiqish va tahrirlash.
• Volodymyr Korobko: Formal tahlil, koʻrib chiqish va tahrirlash.
• Shiro Tanaka: Usul, formal tahlil, koʻrib chiqish va tahrirlash.

Ushbu turkcha izoh yuklangan 33 sahifalik faylning asosiy matni, 36-raqamli tenglamasi, uch jadvali, 1–12-rasmlari va toʻliq sahifali vizual takrorlari koʻrib chiqilib tayyorlangan. Ilmiy mazmun faqat tadqiqotda taqdim etilgan model, qiymatlar, rasmlar va talqinlarga asoslanadi. Tashqi manbalar faqat DOI, SSRN qayd identifikatori va bibliografik muallif ma’lumotlarini tekshirish maqsadida ishlatilgan.

Faylning 30–31-sahifalarida 6-rasmning, 32–33-sahifalarida 5-rasmning bir-biridan kichik sonli farqlarga ega ikki versiyasi mavjud. Asosiy matnda ishlatilgan grafiklar ilmiy bayonning birlamchi versiyasi deb qabul qilingan. Teshik oraligʻi uchun berilgan 0,414 mm va 42,4 µm qiymatlari, bir va uch oʻlchamli modellardagi turli MPL issiqlik oʻtkazuvchanliklari hamda tugallanmagan manba joy tutgichi sukut bilan tuzatilmagan.

Tadqiqot natijalari qisqa hisoblash sohasi, soddalashtirilgan elektrokimyo, bevosita tajribaviy tasdiqlashning yoʻqligi, tizimli toʻr mustaqilligi taqdim etilmagani va 5 A/cm² yechim yakunlanmagani hisobga olinib talqin qilinishi kerak. Taxminan 5–6 A/cm² chegaraviy tok tajribada tasdiqlangan ish kafolati emas, balki modelning suv bosishi va kislorod tashilishi haqidagi farazlari ostidagi bashoratdir.