مدل سازي سه بعدي عملكرد پيل سوختي غشاي تبادل پروتون با هدف كاهش اتلاف هيدروژن

A three-dimensional model for evaluating the performance of proton exchange membrane fuel cell to reduce the waste of hydrogen

در پژوهش حاضر، مدل سازي عددي پيل سوختي با الگوي جريان همسو و ناهمسو، به منظور بررسي ميزان تاثير متغيرهاي عملياتي بر عملكرد آن مورد توجه قرار گرفته است. در مدل در نظر گرفته شده، معادله هاي پيوستگي، اندازه حركت، انتقال جرم، سرعت واكنش هاي الكتروشيميايي و بار الكتريكي در طول كانال پيل سوختي پليمري در سه بعد نوشته شده و به صورت همزمان با استفاده از روش عددي عنصر محدود حل شده اند. نتايج حاصل از مدل با داده هاي آزمايشگاهي ارائه شده در منابع پيشين تعيين اعتبار شدند. درمدل حل شده، تاثير متغيرهايي همانند دما، فشار و طول كانال بر چگالي جريان الكتريكي الكترودها، ميزان مصرف هيدروژن و اتلاف آن مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج به دست آمده نشان مي دهند كه با افزايش دما از 60 به °C90 تحت شرايط ولتاژ ثابت، چگالي جريان كانال پيل سوختي پليمري به ميزان %19/4 افزايش مي يابد. همچنين، با افزايش فشار از 1 به atm 5 در ولتاژ ثابت، چگالي جريان %26/9 افزايش پيدا مي كند. علاوه بر آن، ميزان مصرف هيدروژن در طول كانال با كاهش ولتاژ افزايش مي يابد.

In the present study, a numerical model has been utilized to investigate the effects of operating parameters on the performance of a proton exchange membrane fuel cell in co-current and countercurrent patterns. The model considers the three-dimensional governing equations involve continuity, momentum, mass, electrode kinetics and potential fields across the channel of fuel cell. The coupled equations of the proposed model are then solved using the finite element method. The simulation results were validated with previous reported experimental data. In the results obtained from the model, the effect of variables such as temperature, pressure and length of channel on the current density of electrodes and the amount of waste hydrogen have been studied. It was found that at constant voltage, increasing the temperature from 60 to 90°C, raises the current density by 19.4%. At similar conditions, an increase in pressure from 1 to 5 atm, improves the fuel cell current density by 26.9%. In addition, with voltage drop across the channel, hydrogen consumption increases.