يتألف مكدسُ خلايا الوقود من مئات الخلايا على التوالي. ولأن التيار يمر بها جميعًا، فإن الخلية الأدنى أداءً تحدّ المكدس كله — وهي عادةً الخلية التي يصلها المتفاعل بأقل قدر.
مسألة توزيع على مقياسين
مقياس المكدس. التوزيع من مشعّب التغذية الرئيسي إلى الخلايا. فإذا هبط الضغط على امتداد المشعّب نقصت تغذيةُ الخلايا الأخيرة. ولذلك فمن الحاسم أن يكون مقطعُ المشعّب كبيرًا بما يكفي قياسًا بقنوات الخلية.
مقياس الخلية. التوزيع داخل نمط القنوات في لوح واحد. ففي القنوات المتوازية قد يسدّ تراكمُ الماء بعض القنوات ويحوّل الجريان إلى غيرها؛ والنمط المتعرّج يمنع ذلك لكن هبوط ضغطه عالٍ. أما الأنماط الوسطى (المتشابكة الأصابع) فتُجبر الجريان على عبور طبقة انتشار الغاز.
وكلاهما مسألة توزيع كلاسيكية.
إدارة الماء هي القضية المركزية
في الخلايا ذات غشاء تبادل البروتونات يجب أن يبقى الغشاء رطبًا لينقل التيار؛ لكن إذا أُنتج ماءٌ أكثر من اللازم عند المهبط سدّ المسام (الإغراق) ومنع المتفاعل من بلوغ الحفّاز.
فالهدف إذن ليس التجفيف بل البقاء ضمن نطاق رطوبة ضيّق، وهذا النطاق يتغير بتغير كثافة التيار ودرجة الحرارة والموضع. وقد تكون قناةٌ جافّة بينما جارتُها مُغرَقة.
ويجري نقلُ الماء داخل الطبقات المسامية، وخواصُّ الأوساط المسامية (المسامية والنفاذية وقابلية الابتلال) تحدد النتيجة مباشرة.
الجانب الحراري
جزءٌ من الكفاءة يتحول إلى حرارة، ويجب إبقاء درجة حرارة الغشاء في نطاق ضيّق. وقنواتُ التبريد داخل اللوح، وينبغي أن يكون توزيعُ الحرارة متساويًا من خلية إلى خلية أيضًا. والمسألة مقترنة.
وفي النمذجة يُحَلّ الجريانُ ونقلُ الأنواع والطورُ المائي والحرارةُ معًا؛ والاكتفاءُ بالنظر إلى توزيع الجريان يعطي صورة ناقصة.
المراجع
- Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605