مدل‌سازي عملكرد پيل‌هاي سوختي پليمري با استفاده از مدل فشرده

Modeling of PEM fuel cells performance using lumped method

يكي از مهمترين عوامل در كاهش طول عمر پيل‌هاي سوختي پليمري، پخش غير يكنواخت جريان در سطح غشاء مي‌باشد. از آنجا كه ميدان شارش نقش زيادي در پخش واكنشگرها و انتقال آب و در نتيجه پخش جريان دارد لذا در اين مقاله، با توسعه‌ي مدلي فشرده، پخش آب و جريان در سطح غشاء پيل‌هاي سوختي پليمري در دو طرح متفاوت مورد ارزيابي قرار گرفت. در مدل استفاده شده، ميدان شارش به بخش‌هاي مساوي تقسيم‌بندي شده و ارتباط ميان هر بخش با ساير بخش‌ها از طريق ميدان شارش استفاده شده در پيل سوختي ايجاد مي‌گردد. ميدان شارش سمت آند در هر دو طرح مارپيچ بوده ولي در سمت كاتد در طرح اول از ميدان شارش موازي و در طرح دوم از ميدان شارش مارپيچ استفاده شده است. شبيه‌سازي براي رطوبت‌هاي ورودي مختلف از 0 تا 100در هر دو سمت انجام گرفت. نتايج نشان داد كه تغيير ميدان شارش در يك سمت تاثير اندكي روي منحني پلاريزاسيون داشته و در چگالي جريان بالا، طرح دوم از عملكرد بهتري برخوردار است. همچنين، از لحاظ پخش جريان، طرح دوم يكنواختي بهتري را نشان مي‌دهد بطوري كه در طرح اول در شرايط ورودي اشباع، اختلاف بين درصد جريان توليد شده بين ورودي و خروجي 1/57 درصد مي‌باشد كه در حالت دوم 1/45 درصد مي‌رسد.

One of the most important factors in reducing the lifetime of PEM fuel cells is heterogeneous current distribution on membrane surface. Since flow field plays an important role in reactants distribution and water depletion and consequently current distribution, hence, in this paper, with development of a lumped model, water and current distributions on membrane surface were evaluated in two different designs. In this model, the flow field is divided into equal segments and connection between segments are created through flow field pattern. In both designs, flow field of anode side was serpentine, but on cathode side, parallel and serpentine flow field were used in first and second design, respectively. Simulations were carried out for different input relative humidity from 0 to 100 in both sides. The results showed that flow field had no significant effect on polarization curve and the second design had a little better performance in high current density. Also, in terms of current distribution, the second design shows a better uniformity, so that in the first design in fully saturated inlet condition, difference between the percentage of current generated between the first and last segments is about 1.57 percent which recehes to 1.45 percent in the second case.