بررسي تجربي عملكرد يك سيستم توان يكپارچه سري پيل سوختي پليمري انتها بسته هيدروژن-اكسيژن با سطح فعال بزرگ و سيستم رطوبت‌زن داخلي

Experimental Investigation of Integrated Power System of Dead-End Proton Exchange Membrane Fuel Cell H2/O2 Stack with Large Active Area and Internal Humidifier

پيل‌هاي سوختي پليمري با آند و كاتد انتها بسته مي‌توانند با سيستمي نسبتاً ساده درصد مصرف سوخت‌هاي اكسيژن و هيدروژن را افزايش دهند. با اين‌وجود، تجمع آب در بخش انتهايي كانال‌هاي آند و كاتد موجب قحطي سوخت موضعي و در نتيجه كاهش عملكرد پيل سوختي مي‌شود. در اين مقاله، براي اولين بار يك طرح جديد براي سري پيل سوختي ارائه شده است كه بدون استفاده از دستگاه‌هاي گردش مجدد سوخت كه نيازمند صرف توان اضافي هستند، مي‌تواند درصد مصرف سوخت را افزايش دهد. ايده اصلي طرح ارائه‌شده تقسيم سري به دو مرحله مجزا است: گاز خروجي از مرحله اول بعد از ورود به جداساز به مرحله بعدي وارد مي‌شود. گازهاي واكنشگر قبل از ورود به سلول‌ها از يك رطوبت‌زن يكپارچه با سري عبور كرده و رطوبت مورد نياز براي عملكرد مناسب را كسب مي‌كنند. در طرح ارائه‌شده اگرچه پيل سوختي در حالت انتهابسته كار مي‌كند اما با توجه به مرحله‌اي بودن سري، بيشتر سلول‌ها در استوكيومتري بزرگتر از 1 كار مي‌كنند. با اين طراحي نياز به تخليه كمتري براي دفع آب تجمع‌يافته است. به عبارتي ديگر، كارايي طرح انتها بسته معادل طرح انتها باز خواهد شد. تمامي آزمون‌هاي عملكردي در يك سيستم قدرت يكپارچه با پيل سوختي انجام شده است.

Proton exchange membrane fuel cells with a dead-ended anode and cathode can obtain high hydrogen and oxygen utilization by a comparatively simple system. Accumulation of the water in the anode and cathode channels can lead to local fuel starvation, which degrades the performance of fuel cell. In this paper, for the first time, a new design for proton exchange membrane fuel-cell stack is presented that can achieve higher fuel utilization without using fuel recirculation devices that consume parasitic power. Unified humidifier is another novelty that is applied for the first time. The basic concept of the design is to divide the anodic cells of a stack into two blocks by conducting the outlet gas of each stage to a separator and reentering to next stage, thereby constructing a multistage anode and cathode. In this design, higher gaseous flow rate is maintained at the outlet of the cells, even under dead-end conditions, and this results in a reduction of purge-gas emissions by hindering the accumulation of liquid water in the cells. The result shows that with this new design the dead-end mode has the same performance as open-end mode. All performance tests were carried out at an integrated power system.