การจำลองสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนที่มีปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไล่ระดับ

กวิตา บุญยง; เขมิสรา รามัญอุดม; สุนันท์ ลิ้มตระกูล; เทอดไทย วัฒนธรรม

ผู้แต่ง

กวิตา บุญยง ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
เขมิสรา รามัญอุดม ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
สุนันท์ ลิ้มตระกูล ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
เทอดไทย วัฒนธรรม ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

คำสำคัญ:

เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน, ช่องทางไหลแบบเลื้อยขด, การกระจายตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมด้านแคโทด

บทคัดย่อ

สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนขึ้นกับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดบนชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ความเข้มข้นของออกซิเจนที่ใช้ทำปฏิกิริยาลดลงตามระยะทางของช่องทางไหลเนื่องจากถูกใช้ในการทำปฏิกิริยา งานวิจัยนี้จึงเสนอให้มีการเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีปริมาณไล่ระดับจากมากที่ทางเข้าของก๊าซและลดลงที่บริเวณทางออก เพื่อให้สอดคล้องกับความเข้มข้นของก๊าซที่ลดลง วิธีการนี้จะเพิ่มสมรรถนะของเซลล์และสามารถประหยัดปริมาณการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาได้ จุดประสงค์ของงานวิจัยนี้คือประยุกต์ใช้แบบจำลองคณิตศาสตร์ช่วยทำนายสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิง การจำลองการทำงานของเซลล์สามารถประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายได้ สมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงแสดงด้วยเส้นโค้งโพลาไรเซชัน ผลการจำลองสรุปได้ว่าการเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไล่ระดับจากมากไปน้อยสามารถเพิ่มสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงเมื่อเปรียบเทียบกับการเคลือบแบบสม่ำเสมอ และพบว่าสามารถลดปริมาณแพลทินัมที่ใช้ลงได้ 45% โดยผลการจำลองสอดคล้องกับผลจากการทดลอง

References

Modekurti S, Bhattachayya D, Rengaswamy R, Narasimhan S (2010). Performance analysis of a PEM fuel cell cathode with multiple catalyst layers. Journal of Hydrogen Energy, 35: 6356-6365.

Thomas S, Zalbowitz M (1999). Fuel Cells Green Power. Los Alamos National Laboratory, New Mexico.

Xiong L, Manthiram A (2005). High performance membrane electrode assemblies with ultra-low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells. Electrochimica Acta, 50: 3200-3204.

Zhang Y, Smirnova A, Verma A, Pitchumani R (2015). Design of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell with variable catalyst loading. Journal of Power Sources, 291: 46-57.

Roshandel R, Ahmadi F (2013). Effects of catalyst loading gradient in catalyst layers on performance of polymer electrolyte membrane fuel cells. Renewable Energy, 50: 921-931.

Ebrahimi S, Ghorbani B, Vijayaraghavan K (2017). Optimization of catalyst distribution along PEMFC channel through a numerical two-phase model and genetic algorithm. Renewable Energy, 113: 846-854.

Wawdee P (2014). Development of Effectiveness of fuel cell. Master of Engineering, Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Kasetsart University, Thailand.

Havaej P, Kermani M.J, Abdollahzadeh M, Heidary H, Moradi A (2018). A numerical modeling study on the influence of catalyst loading distribution on the performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. International journal of hydrogen energy, 43: 10031-10047.

Haghayegh M, Eikani M.H, Rowshanzamir S (2017). Modeling and simulation of a proton exchange membrane fuel cell using computational fluid dynamics. International Journal of Hydrogen Energy, 42: 21944-21954.

Sezgin B, Caglayan D.G, Devrim Y, Steenberg T, Eroglu I (2016). Modeling and sensitivity analysis of high temperature PEM fuel cells by using Comsol Multiphysics. International Journal of Hydrogen Energy, 41(23): 10001-10009.

Rahman M.A, Mora J.M, Chuang P.A (2017). A Computational Study of Flow Sensitivity of a PEM Fuel Cell with Multi-Parallel Flow Channels. Comsol Conference. Boston.

Das P.K, Li X, Liu Z.S (2008). A three-dimensional agglomerate model for the cathode catalyst layer of PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 179: 186-199.

Luo X, Chen S, Xia Z, Zhang X, Yuan W, Wu Y (2019). Numerical Simulation of a New Flow Field Design with Rib Grooves for a Proton Exchange Membrane Fuel Cell with a Serpentine Flow Field. Applied Sciences, 9(22): 4863.