بررسي اثر رطوبت زني گازهاي ورودي بر پاسخ ديناميكي يك توده پيل سوختي پليمري

Investigation of the effect of humidification of inlet gases on the dynamic response of a PEM fuel cell stack

براي بدست آوردن پاسخ واقعي يك سيستم پيل سوختي پليمري به تغييرات بار، مدلسازي ديناميكي لازم است چرا كه مدلسازي استاتيكي مستقل از زمان بوده و عملكرد سيستم را فقط در يك يا چند نقطه نشان مي دهد. در تحقيق حاضر عملكرد ديناميكي توده يك سيستم پيل سوختي پليمري در محيط سيمولينك متلب مدلسازي و توسط داده هاي موجود در مقالات اعتبار سنجي شده است. مدلسازي در دو بخش انجام شده است؛ در بخش اول گازهاي ورودي به توده پيل سوختي بصورت خشك و در بخش دوم گازهاي ورودي به توده پيل سوختي رطوبت زني مي شوند. به منظور بررسي پاسخ ديناميكي توده پيل سوختي به تغييرات سريع جريان، جريان الكتريكي متغيري بصورت پله به سيستم وارد شده و اثر اين تغيير بار بر ولتاژ خروجي، ميزان مصرف واكنشگرها، دما و فشار مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج بخش اول نشان مي دهد كه پاسخ سيستم به تغييرات جريان الكتريكي با تاخير زماني همراه است و هرچقدر مقدار جريان الكتريكي بيشتر شود تغييرات دماي بدنه پيل سوختي، ميزان مصرف واكنشگرها و ميزان گازهاي ورودي به كانال هاي آند و كاتد بيشتر مي شوند. دماي كانال هاي آند، كاتد و بدنه پيل سوختي(سطح خارجي) با يكديگر متفاوتند و با افزايش توان توده تفاوت آن ها بيشتر مي شوند. نتايج قسمت دوم نشان مي دهد كه با افزايش رطوبت نسبي گازهاي ورودي، افت ولتاژ اهمي در غشا كاهش و به تبع آن تلفات حرارتي توده و در نتيجه دماي بدنه پيل سوختي كاهش مي يابد.

To obtain a precise answer a PEM fuel cell system to load changing, dynamic modeling is necessary because static modeling is independent of time and it shows the system performance in just one or a few points. In this study, the dynamic performance of a PEM fuel cell stack is modeled in the Matlab Simulink and is validated by the data available in the literature. Modeling is done in two parts; in the first part, the input gases to the fuel cell stack are dry and in the second part, the gases entering the stack are humidified. In order to investigate dynamic response of system to rapid changes in electrical current, the variable electrical current is entered into the system step by step then the effect of this change on output voltage, consumption of reactants, temperature and pressure are obtained. Analyzing the results of first part demonstrates the time delay of system response to electrical current changes. With increasing the electrical current, the temperature of cell body, consumption of reactants and amount of input gases into the anode and the cathode channels are increased. The temperature of anode and cathode channels and fuel cell body are different and with increasing the stack power more differences are observed. Analyzing the results of the second part indicates that with increasing the relative humidity of input gases the ohmic loss, and so the body temperature of fuel cell is decreased.