بهينه سازي پارامترهاي طراحي پيل سوختي غشا پليمري، با استفاده از الگوريتم ژنتيك

Optimization of PEM Fuel Cell`s Design Parameters Using Genetic Algorithm

پيل سوختي، سيستمي الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي را به‌طور مستقيم و بدون احتراق، به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند. با توجه به كاربردهاي مختلف و بازدهي انرژي بالاي پيل هاي سوختي، اين سيستم به عنوان يكي از پرطرفدارترين سيستم‌هاي تبديل انرژي شناخته مي شود، بنابراين بهينه سازي سيستم پيل سوختي با توجه به تقاضاي انرژي موجود، يكي از زمينه هايي است كه مورد توجه و بررسي بسياري از محققان و پژوهشگران قرار گرفته است. بدين منظور در اين پژوهش يك مدل اقتصادي- عملكردي از سيستم پيل سوختي توسعه داده شده است كه در آن، ابتدا مروري پس از معرفي روش شناسي حل مسيله بهينه سازي، با استفاده از معادلات معرفي شده در بخش مدل‌سازي سيستم پيل سوختي، مدلي براي هزينه‌ي نهايي يك استك پيل سوختي kw50 با در نظر گرفتن فشار سيستم، ضريب استوكيومتري هوا و هيدروژن و چگالي جريان و هم‌چنين دماي سيستم به عنوان پارامترهاي بهينه سازي توسعه داده شده است. در نهايت با استفاده از يك مدل اقتصادي- عملكردي با توجه به نوع سيستم پيل سوختي مورد نياز كه شامل يك پيل سوختي 50 كيلووات، كمپرسور، مخزن ذخيره سازي هيدروژن و ساير اجزا مي باشد، توسعه داده شده و سپس توسط الگوريتم ژنتيك بهينه شده است. سپس تحليل حساسيت بر روي تك تك پارامترهاي درگير در مدل انجام گرفته و در رابطه با چگونگي بهبود تابع هدف مدل با تغيير هر يك از آن‌ها بحث و بررسي انجام گرفته است. طبقه بندي JEL: C39, C61, Q40, L68 كليد واژه: پيل سوختي، الگوريتم ژنتيك، بهينه سازي، تحليل حساسيت، مدل اقتصادي -عملكردي

Optimization of PEM Fguel Cell`s Design Parameters Using Genetic Algorithm. Somayeh Ahmadi Institute for International Energy Studies (IIES), Tehran, Iran, sepide.ahmadi2006@gmail.com Vahid Firozmand Enerry Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran, vahid.frz@gmail.com Omid Mahdavi Enerry Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran, omidmhdv@gmail.com Received: 2013/10/03 Accepted: 2014/01/29 Abstract Fuel cells are electrochemical systems that convert chemical energy into electricity without any combustion. Due to high energy efficiency and multiple applications, fuel cells are one of the most popular energy conversion systems. Thus, optimization of fuel cells systems has received much attention in recent studies. In this study we develop a techno-economic model for analysis of PEM stack fuel cells. First, we introduce the methodology for solving the optimization problem and then, using the equations presented in the modeling exercise we develop a model for estimating the final cost of 50 kw fuel cell stack. The model uses temperature and pressure of the system, air and hydrogen stoichiometric ratio and electric current density. Finally, we optimize costs of constructing a 50 kW fuel cell stack including a fuel cell, air compressor, hydrogen storage tank and other components using a genetic algorithm. We then perform sensitivity analysis on each parameter and discuss how the objective function of the model can be improved by changing each one of these parameters. JEL Classification: C39, C61, Q40, L68 Keywords: PEM fuel cell, genetic algorithm, optimization, sensitivity analysis, techno-economic model.