تحليل عملکرد سامانة پيل سوختي غشا پليمري در خودرو

تحليل عملکرد سامانة پيل سوختي غشا پليمري در خودرو ابراهيم افشاري* استاديار گروه مکانيک دانشکده فني و مهندسي دانشگاه اصفهان em_afshari@yahoo.com سيدعلي جزايري استاديار دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه خواجه نصير الدين طوسي jazayeri@kntu.ac.ir * نويسنده مسئول / تاريخ دريافت 88/1/30 : پذيرش نهايي مقاله 89/1/21 : چکيده در اين مطالعه يک نوع پيل سوختي غشا پليمري براي کاربرد در خودرو تحليل گرديده و در اين راستا متغيرهاي اثر گذار بر عملکرد پيل از قبيل درصد رطوبت نرخ جريان دما و فشار گازهاي ورودي و همچنين مديريت آب و حرارت که از چالش هاي اصلي اين پيل ها مي باشد بررسي شده است. بدين منظور معادالت پيوستگي مقدار حركت بقا اجزاء انرژي و شارژ به همراه روابط سينتيک الکتروشيميايي در نواحي مختلف پيل به صورت الگوي تک ناحيه اي تدوين و به روش عددي حل شده اند و نمودار هاي ولتاژ و چگالي توان بر حسب چگالي جريان پيل در شرايط عملکردي مختلف به دست آمده است. نتايج نشان مي دهد که افزايش فشار و دما در تمامي ولتاژهاي خروجي پيل باعث بهبود عملکرد پيل مي شود. در ولتاژهاي خروجي باال که تغيير فاز در پيل سوختي اتفاق نمي افتد افزايش درصد رطوبت و کاهش نرخ جريان ورودي بر عملکرد پيل تأثير مثبت مي گذارد اما در ولتاژهاي خروجي پايين عملکرد پيل با افزايش درصد رطوبت و کاهش نرخ جريان کاهش مي يابد. همچنين افزايش فشار درصد رطوبت ورودي و نرخ جريان منجر به اتالف بخشي از توان توليدي پيل سوختي مي گردد. کليد واژه هـا : سامـانة پيل سوختـي غشا پليمـري خودرو مـديريت آب و حـرارت شرايط عملکـرد شبيه سـازي عـددي -1 مقدمه پيل هاي سوختي همانند انباره ها و موتورهاي احتراق داخلي انرژي شيميايي ذخيره شده در سوخت را مي توانند به کار تبديل کنند. بر خالف انباره ها که طول عمر محدود دارند و بعد از مدت معيني از کار مي افتند تا موقعي که سوخت و اکسيد کننده براي پيل هاي سوختي تأمين شود توليد کار با آنها امکان پذير است. در موتور احتراق داخلي ضمن فرايند آميختگي هوا و سوخت و احتراق سريع انرژي حرارتي آزاد انرژي حرارتي آزاد شده به دليل محدوديت هاي مکانيکي مي گردد. فقط بخشي از اين و ترموديناميکي در موتور مي تواند به کار مکانيکي تبديل و در اختيار خودرو قرار گيرد که در بهترين شرايط در سيکل ديزل بازده حدودا %40 مي باشد. با وجود اينکه در پيل هاي سوختي بازگشت ناپذيري هاي داخلي شامل قطبش غلظتي اهمي و فعال سازي وجود دارد اما در مقايسه با ميزان بازگشت ناپذيري هايي که عمدت ا در فرايند احتراق در موتور هاي احتراق داخلي وجود دارد ناچيز مي باشد. از اين رو پيل سوختي مي تواند زمينة استفاده بهينه را از سوخت فراهم نمايد ضمن آنکه آلودگي هاي محيط زيستي توليد شده نيز نسبت به موتور هاي احتراق داخلي بسيار کمتر مي باشد. امروزه استفاده از پيل هاي سوختي در خودروها رو به افزايش مي باشد. پيل هاي سوختي غشا پليمري با مشخصات بارزي از قبيل : بازده و چگالي توان باال دماي عملکرد پايين كم بودن آلودگي صوتي و محيط زيستي زمان راه اندازي كوتاه و الكتروليت جامد گزينه اي مطرح براي استفاده در خودرو هاي برقي به جاي موتور هاي احتراق داخلي و در سامانه هاي دورگه همراه با موتور احتراقي کوچک شده و انباره ها مي باشند. بهاي گران و چگالي توان نسبت ا پايين پيل سوختي محدوديت هاي اصلي بهره گيري از آن به عنوان مولد قدرت در خودرو مي باشد 3

تحليل عملکرد سامانة پيل سوختي غشا پليمري در خودرو 4-2 پيل سوختي غشا پليمري ساختمان و طريقه عملكرد اين پيل در شكل ( )1 نشان داده شده است. مجاري گاز به طور مداوم سوخت که عمدت ا هيدروژن ذخيره شده در مخازن تحت فشار و اکسيد کننده که هوا مي باشد در سمت آند و کاتد تأمين مي کنند. هيدروژن و هوا قبل از ورود به پيل مرطوب مي شوند. هيدروژن از ميان الية پخش گاز آند كه از كربن پارچه اي يا كربن كاغذي ساخته شده است به طرف كاتاليست آند پخش مي شود. در اليه كاتاليست مولكول هاي هيدروژن به دو يون هيدروژن و دو الكترون تبديل مي شوند. ( )1 2 H 2 4 H + + 4e پروتون هاي( ) H + توليدي از ميان غشاء به طرف الية كاتاليست كاتد حركت مي كنند. غشا رساناي الکترون نمي باشد و الكترون هاي آزاد شده در آند از طريق مدار خارجي جريان پيدا مي كنند و قبل از اينكه واكنش را تكميل كنند كار مفيد انجام مي گيرد. در طرف كاتد اكسيژن از ميان الية پخش گاز كاتد حركت مي كند و در سطح اليه كاتاليست با پروتون ها و الكترون ها واكنش انجام داده و آب تشكيل مي شود. ( )2 O 2 + 4 H + + 4e H 2 O واكنش كلي پيل كه مجموع واكنش هاي ( )1 و ( )2 مي باشد گرمازا است و به صورت رابطه ( )3 نوشته مي شود. ( )3 2H 2 + O2 2H 2 O + electricity + heat براي توليد ولتاژ کافي براي استفاده در خودرو چندين حجره به صورت رديفي به هم متصل مي شود و توده پيل سوختي را تشکيل مي دهد. شكل 1 ساختمان و طريقة کار پيل سوختي غشا پليمري [ ]22-3 سامانة پيل سوختي يک توده پيل سوختي به تنهايي براي توليد توان مکانيکي در خودرو کافي نيست و نياز به تجهيزات جانبي دارد. بنابراين سامانة پيل سوختي که شامل توده پيل سوختي و اجزاء جانبي آن مي باشد بايستي ارزيابي شود. در شکل ( )2 نمايي از سامانة پيل سوختي هيدروژن / هوا که در مطالعه استفاده شده ارائه گرديده است. اجزاي جانبي شامل : تنجار براي تهيه جريان هوا با فشار مطلوب ورودي به کاتد منبسط کننده براي توليد توان 1 - Cell و تحقيقات وسيعي براي کاهش محدوديت ها همراه با کاهش قيمت انجام شده است. با وجود پيشرفت هاي چشمگير در سال هاي اخير براي بهبود عملکرد کلي پيل چالش عمده در پيل سوختي غشا پليمري تغيير فاز و انتقال آب همراه با انتقال حرارت است. يعني مديريت آب و حرارت که متغيرهای کليدي در عملکرد بهينة پيل سوختي مي باشند. ميزان آب در پيل سوختي با تراز کردن آب در حين عملكرد پيل کنترل مي گردد. براي اطمينان از مناسب بودن هدايت يوني در الكتروليت پيل سوختي غشا پليمري نياز به افزايش ميزان آب غشا بخصوص در چگالي جريان هاي بزرگ مي باشد. هدايت قوي يوني الكتروليت موقعي اتفاق مي افتد كه غشا كام ال هيدراته باشد و اين امر باعث افزايش بازده پيل سوختي مي شود. اما اگر مقدار آب موجود در پيل از حد بهينه بيشتر باشد آب چگاليده شده و آب مايع تخلخل هاي الية پخش گاز را مي تواند مسدود نمايد و در نتيجه انتقال گازهاي واکنشگر به اليه واكنشگر محدود گرديده و ولتاژ پيل کاهش مي يابد. پديده ايجاد شده را اصطالح ا شناوري مي نامند. اگر مقدار آب موجود در غشا كم شود منجر به کاهش هدايت يون ها و چسبندگي غشا به الكترود مي شود. عملكرد پيل با شرايط خشك شديدا طول عمر غشا را كم مي كند. با توجه به محدوديت هاي اشاره شده بررسي انتقال و تغيير فاز آب در پيل سوختي غشا پليمري بسيار ضروري مي باشد همچنان که مديريت حرارت نيز الزم مي باشد [.]1 دماي باال در پيل سوختي باعث خشک شدن غشا و در نتيجه باعث كاهش رسانايي يوني مي شود تنش هاي حرارتي نيز در اين حالت زياد شده و مي توانند گسيختگي غشا را به همراه داشته باشد. دماي پايين نيز مي تواند باعث کند شدن واکنش ها و در نتيجه افزايش افت هاي داخل پيل شود. همچنين با کاهش دماي پيل فشار اشباع نيز کاهش مي يابد و تقطير آب تشديد و شناوري پيش مي آيد [ 1 و.]2 بدين طريق پيل با محدوديت دمايي در دو جهت افزايش و کاهش رو به رو مي باشد ضمن اينکه کم بودن تغييرات دماي پيل نيز مطلوب است. همچنين مسائلي از قبيل شروع به کار پيل در خودرو در شرايط محيط (معمو ال دمايي پايين تر از دماي عملکرد بهينة پيل) شرايط کاري مختلف خودرو و در نتيجه تغييرات زياد دماي عملکرد پيل سوختي اختالف کم دماي پيل با محيط نسبت به موتور احتراق داخلي و در نتيجه مشکل بودن خنک سازي پيل و ترجيح بر استفاده از گازهاي ورودي با درصد رطوبت پايين در خودرو به منظور مصرف پايين تر توان براي مرطوب سازي گازهاي ورودي پيل از مسائل بسيار مهم است و بررسي شرايط ورودي بر عملکرد پيل در خودرو را ضروري مي سازد [.]5-3 متغير هاي ورودي و عملکردي از قبيل : نرخ جريان جرم درصد رطوبت دما و فشار گاز هاي ورودي به منظور مديريت آب و حرارت براي عملکرد بهينة پيل سوختي در خودروها به کار مي روند. مطالعات بسياري [ ]10-2 بر روي انواع مختلف پيل سوختي ارائه شده تا عملکرد پيل شامل مشخصات غشا و قطب ها الکتروشيمي پيل و تأثير دما فشار و رطوبت ورودي بر عملکرد پيل سوختي را بررسي کند. تحليل هاي سامانة پيل سوختي در خودرو شامل بررسي استفاده از سوخت هاي مختلف به جاي هيدروژن [ ]11 بررسي سامانه هاي دورگه با کمک پيل سوختي به جاي يا همراه با انباره [ ]14-12 تأثير متغيرهاي عملکردي مانند دما و فشار بر عملکرد سامانة [ 15 و ]16 بهينه سازي سامانه ها به منظور کاهش قيمت و وزن [ ]17 بوده است. در تحقيقات ديگر نمودار هاي جريان ولتاژ توده پيل سوختي براي کاربري در خودرو بررسي شده است [.]21-18 در اين مطالعات توده پيل سوختي بررسي شده است و هر تک حجره 1 در پيل سوختي به دليل پيچيدگي سامانه زمان طوالني محاسبات و تأثير حجره هاي مختلف بر يکديگر با جزئيات بررسي نشده است و نويسندگان مجبور به اعمال فرضيات محدود کننده اي مانند تک فاز يا دما ثابت بودن پيل بوده اند. در اين مقاله يک الگوي دو بعدي پيل سوختي غشا پليمري براي کاربرد در خودرو که شامل مجاري گاز اليه هاي پخش گاز اليه هاي واكنشگر و غشا مي باشد با در نظر گرفتن رفتار دو فازي آب و تغييرات دما داخل پيل توسعه داده شده و متغيرهاي مؤثر بر عملکرد پيل از قبيل درصد رطوبت نرخ جريان دما و فشار گاز هاي ورودي و همچنين مديريت آب و حرارت که از چالش هاي اصلي اين پيل مي باشد بررسي شده است.

ابراهيم افشاري / سيدعلي جزايري -4 معادالت رياضي -1-4 معادالت حاکم به دليل پيچيده بودن معادالت حاکم در اين مقاله يک الگوي دو بعدي براي تحليل پيل سوختي در نظر گرفته شده است. همچنين فرض مي شود مخلوط گازهاي واکنشگر گاز کامل جريان داخل مجرا ها دائم آرام و تراکم ناپذير اليه هاي واكنشگر و غشا يکنواخت و همگن و گرانروي مخلوط گاز ثابت و با استفاده از شرايط ورودي به دست مي آيد. به کمک معادالت مخلوط دو فاز (الگوي ]2[ ) M2 الگوي پيل سوختي که شامل در معادله ( ρ )4 چگالي مخلوط گاز و مايع مي باشد و از معادله ( )5 به دست مي آيد [.]23 ( )5 ) ρ = ρ l s + ρ g (1 s ) (1 s نسبت حجم اشغالي گاز به حجم كل و s نسبت حجم اشغالي مايع به حجم كل است. اين متغير كه به اشباع مايع معروف است به صورت ( )6 تعريف مي شود. V ( )6 s= l V معادلة بقا مقدار حركت ( )7-1 پمپ -2 كمپرسور -3 منبسط كننده -4 جدا كننده -5 مرطوب كننده -6 مبدل گرمايي rr.( ρu u ) = p +.τ + S Darcy ε2-7 دمنده -8 مخزن آب -9 شيرفشار شكن -10 مخزن هيدروژن شكل 2 نماي سامانة پيل سوختي [ ]16 1 - Compressor 2 - Regulator 5 با فشار هواي باالي خارج شده از کاتد مخزن فشار باال براي ذخيره هيدروژن تنظيم كننده 2 براي شکستن فشار هيدروژن به فشار مورد نياز پيل سوختي مرطوب کننده گاز هاي هيدروژن و هوا تلمبه براي به گردش در آوردن هيدروژن مصرف نشده در آند تلمبه براي چرخش آب خنک کننده پيل سوختي تلمبه هايي براي تأمين آب به منظور مرطوب سازي هوا و هيدروژن ورودي مبدل حرارتي و يک پنكه براي به گردش در آوردن هوا در مبدل مي باشد. توان مورد نياز اجزاي جانبي نيز بايد در توده پيل سوختي تأمين شود. معادالت بقا جرم مقدار حركت اجزاي شيميايي انرژي و شارژ الکتريکي مي باشد توسعه داده مي شود. معادله پيوستگي r ( )4.( ρu ) = 0

تحليل عملکرد سامانة پيل سوختي غشا پليمري در خودرو عبارت چشمه براي آب در اليه واكنشگر ( )19 K در اين رابطه µ گرانروي مخلوط دو فاز مي باشد و بر اساس الگوي M2 محاسبه 1 مي شود [.]23 k k ( )9 µ = ρ rl + rg vg vl k rl و k rg نفوذپذيري نسبي فاز مايع و گاز بوده و تابع s مي باشند [.]24 ( )10 k rg = (1 s )3 و k rl = s n stoi j S k =.( d I ) F nf عبارت چشمه براي آب در اليه غشا ناشي از زهكشي الکترو اسمزيک n ( )20 ) S k =.( d I F (γ در اين معادالت sto i ضريب استوکيومتري واکنش هاي سمت آند و کاتد بوده و بر اساس نيم واکنش های پيل براي هيدروژن اکسيژن و آب به ترتيب داراي مقادير 1 2 و 1 مي باشد. معادلة بقا شارژ : eff ( )21.(κ ϕe ) + Se = 0 در اين معادله C غلظت كل جزء i مي باشد. چون فاز گاز و فاز مايع ميدان هاي جريان متفاوتي دارند انتقال اجزا در هر فاز با فاكتور جابجايي γ c تصحيح مي شود [.]2 در اين معادله عبارت چشمه براي انتقال جريان بين ماتريس جامد و فاز الکتروليت داخل هر کدام از اليه هاي واكنشگر کاتد و آند استفاده مي شود. ( )22 3 معادلة بقاي اجزا ( )11 mf i C gi r ( li ) jl + S k ρ g M ] s ) C gi (1 Dgi, eff [ i r i ) C uc = ε i ( )12 for water for other species H 2O ρ λl C sat ) H 2O ( H 2O + λg ρg M C = γc ρλ g ) ρ g (1 s λl و λ g قابليت تحرك نسبي فاز مايع و گاز مي باشد [.]23 k rk / vk k rk / vk ( )13 = λk k زير نويس k متعلق به مايع l و گاز g مي باشد. نسبت جرمي مخلوط به صورت ( )14 تعريف مي شود [.]9 ( )14 ρ mf i = ρ g mf gi (1 s) + ρl mfl i s همچنين شار مويين jl در معادله ( )11 تابعي از فشار گاز و فشار مايع بوده كه توسط معادله ( )15 به دست مي آيد [.]2 λl λ g ( )15 = j ] K [ p + ( ρ + ρ ) g g l c v l در رابطه باال pc فشار مويين است [.]23 ε ( )16 ) pc = σ cos(θ c )( )1 / 2 J ( s K همچنين ) J (s تابع Leverett ناميده مي شود و بر اساس معادله تجربی ( )17 زير بدست مي آيد[.]2 1.417 (1 s ) 2.120(1 s ) 2 + 1.263(1 s ) 3, if θ c < 90 0 = ) J ( s 1.417 s 2.120 s 2 + 1.263s 3 if θ c > 90 0 ( )17 6 Se = j [.]2 چگالي جريان انتقال در آند و كاتد به ترتيب با معادالت ( )23 و ( )24 بدست می آيد ( )23 ( )24 ).F.η αa + αc RT ( 1/ 2 ) CH2 C Href2 ( ref 0 ja = a i ) η = ϕ s ϕ e U o (ϕ s = 0, U o = 0 اين معادالت متعلق به واکنش اکسايش هيدروژن و کاهش اکسيژن به ترتيب در اليه واكنشگر آند و كاتد مي باشد. معادله سينتيکي اکسايش هيدروژن با خطي سازي معادله باتلر - ولمر با فرض سريع بودن واكنش و معادله کاهش اکسيژن با ناديده گرفتن واکنش آندي به دست مي آيد. مجموع ضرايب انتقال آند و كاتد aa+ac در واكنش آندي مساوي 2 و ضريب انتقال كاتدي ac برابر 1 مي باشد. با فرض اينکه پتانسيل مدار باز مرجع در آند تابعي از دما و در کاتد صفر باشد اضافه پتانسيل آند و کاتد به ترتيب به صورت رابطه ( )25 است [.]9 ( )25 ) η = ϕ s ϕ e U o (ϕ s = 0, U o = 0 ( )26 معادلة انرژي ( )27 η = ϕ s ϕ e U 0 (ϕ s = Vcell, U o )) = 1.23 0.9 10 3 (T 298.15 r.(γ h ρc p u T ) =.(k eff T ) + S T 1 - Drag براي برقراري پيوستگي جرم در فصل مشترک نواحي متخلخل و مجاري جريان از سرعت هاي ظاهري در نواحي متخلخل استفاده مي شود و خواص انتقالي اصلي با خواص انتقالي مؤثر اصالح مي شود. از اين رو در معادالت مقدار حركت يک عبارت چشمه در نواحي متخلخل براي اعمال قانون دارسي قرار مي گيرد. عبارت چشمه در مجاري برابر صفر و ضريب تخلخل برابر 1 مي باشد. µ r S Darcy = u ( )8 عبارت چشمه در معادله بقا اجزاء ناشي از واکنش هاي الکتروشيميايي و زهكشي الکترو اسمزيک آب از آند به کاتد است اين عبارت براي اجزا واكنشگر (به غير از آب) در اليه واكنشگر به صورت زير است [.]2 sto i j ( )18 Sk = nf

ابراهيم افشاري / سيدعلي جزايري در غشا : ( )29 + h fg m& fg در الية پخش گاز و مجرا : ( )30 I2 κ eff = ST ST = h fg m& fg h fg گرماي نهان چگالش يا تبخير و & fg m نرخ جريان جرم به دليل تغيير فاز است[.]25 r ( )31 ) m& =. ( ρ u ) =. ( j + λ ρu l l l fg l ) 3.1 10 7 λ (e0.28λ 1).e( 2346 / T 0<λ 3 = DmH 2O 8 λ ) ( 2346 / T λ >3 4.17 10 λ (1 + 161e ).e ( )40 غلظت آب تعادل در غشا با معادله ( )41 محاسبه مي شود. ρ dry, m λ ( )41 = C mh 2O EW چون پتانسيل فاز الکتروليت و هدايت پروتوني غشا با استفاده از چگالي جريان موضعي به دست مي آيد چگالي جريان متوسط با انتگرال گيري از چگالي جريان موضعي روي غشا حاصل مي شود. ( )42 I = κ eff ϕ e IdA ( )43 Am Am = I ave عامل جابجايي در معادله انرژي به دليل اختالف ميدان هاي فاز گاز و مايع است و به صورت معادله ( )32 مي باشد[.]25 ) ρ (λl c p,l + λg c p, g ( )32 = γh با مشخص شدن نمودار عملکرد توان پيل سوختي ) (W& fc را مي توان بر حسب ولتاژ و جريان پيل بيان کرد. & ( )44 W fc = V i خواص فيزيكي هدايت پروتون ( )k و ضريب زهكشي الکترو اسمزيک آب ( )nd با استفاده از ظرفيت غشا ( )x که خود تابعي از فعاليت آب ( )a است به دست مي آيد [.]4 اگر دو الگوي پيل سوختي با شرايط يکسان ولي با مساحت سطح فعال متفاوت با هم مقايسه شوند در هر دو الگو بازده پيل سوختي براي يک جريان جرم بر مساحت فعال مشخص برابر و يکسان است. يعني مساحت سطح فعال يک متغير ارزيابي پيل سوختي مي باشد. ( )45 i=i A sρl c p,l + (1 s) ρ g c p, g ) κ m = (0.0005139λ 0.000326 )) exp(1268.0( 303 T for λ 14 1.0 = nd +. 5 / 8 ( λ 14 ). 0 otherwise ( )33 ( )34 ظرفيت غشا و فعاليت آب نيز از معادالت ( )35 و ( )36 به دست مي آيد [.]2 ( )35 for 0 < a 1 ( )36 [.]2-2-4 شرايط مرزي 0.043 + 17.81a 39.85a 2 + 36.0a 3 for 1 < a 3 = λ ) 14 + 1.4(a 1 C gh 2O RT Psat = a هدايت پروتونی مؤثر اليه هاي واكنشگر آند و کاتد نيز با معادله ( )37 به دست مي آيد ( )37 1.5 mc m =ε κ eff cat κ ضريب پخش جرم جزء k ام در مجاري آند و کاتد تابعي از دما و فشار است. در نواحی متخلخل ضريب پخش با استفاده از ضريب تخلخل اصالح مي شود [.]4 در مجراي جريان : T 3 / 2 P0 ( )38 ) ( ) ( Dk = D0 T0 P در ناحيه متخلخل : ( )39 I چگالي جريان و A مساحت سطح فعال پيل مي باشد. توان را مي توان بر حسب چگالي جريان نيز بيان نمود. معادالت 21 11 7 4 و 27 يک دستگاه از معادالت حاکم براي حل 6 مجهول u v p Ck eφ و T را تشکيل مي دهند ( Ck غلظت اکسيژن هيدروژن آب و نيتروژن مي باشد). به منظور سادگي يک الگوي دو بعدي پيل سوختي در نظر گرفته شده که دامنه شبيه سازي و شبكه بندي اين دامنه براي حل عددي در شکل ( )3 نشان داده شده است. براي حل معادالت نياز به مشخص شدن شرايط مرزي مناسب مي باشد. در اين مقاله از روش تک ناحيه اي استفاده شده است بنابراين فقط شرايط مرزي بيروني (خط چين ها در شکل ( ))3 بايد مشخص شود و نياز به شرايط مرزي بين اليه هاي مختلف پيل نمي باشد. الف) مرزهاي ورودي گازها : سرعت ورودي آند و کاتد با استفاده از نسبت استوکيومتريک تعيين مي شود[.]25 2 F Aa,in ( )46 ς a = C H 2,in u a,in I ref Areact ( )47 4 F Ac,in I ref Areact ς c = C O2,in u c,in Dkeff = ε1.5dk 7 عبارت چشمه در معادله انرژي شامل حرارت هاي ايجاد شده در اثر واکنش افت هاي اهمي و تغيير فاز آب است [.]21 در اليه واكنشگر du 0 I2 ( )28 & ST = j (η + T ) + eff + h fg m fg dt κ پخش آب در غشا نيز از معادله ( )40 به دست مي آيد[.]4

تحليل عملکرد سامانة پيل سوختي غشا پليمري در خودرو غلظت مولي اجزاء به وسيلة فشار و رطوبت نسبي گازهاي ورودي به کمک قانون گاز کامل به دست مي آيد. Pa, in P C ah, in2o = RH a, in sat ( )48 Pa, in RT a, in ( )49 دماي گازهاي ورودي نيز برابر دماي عملکرد پيل مي باشد. ب) مرزهاي خروجي گازها : شرايط مرزي سرعت اجزاء و دما در خروجي به صورت کام ال توسعه يافته در نظر گرفته مي شود. ج) ديوارها : بر روي ديوارها شرط عدم لغزش براي سرعت شرط دما ثابت براي ديوارهاي مجاري و شرط شار صفر براي ديگر معادالت به کار مي رود. -3-4 روش حل به منظور شبيه سازي عددي پيل سوختي مي توان از روش تک ناحيه اي و يا روش چند ناحيه اي استفاده كرد. در الگوي چند ناحيه اي دامنة محاسباتي به چند زير دامنه تقسيم مي شود و در هر زير دامنه مجموعه اي از معادالت بقا حل مي شود. براي حل اين معادالت و ارتباط آنها با يکديگر به شرايط مرزي بين نواحي مختلف پيل نياز مي باشد. اما بسياري از اين شرايط مرزي به طور واضح مشخص نيستند و از اين رو جواب هاي بدست آمده از حل معادالت نيز دقيق نمي باشد. عالوه بر اين چون در هر ناحيه تعدادي معادله متعلق به همان ناحيه نوشته مي شود و اين معادالت با شرايط مرزي به يکديگر مربوط مي شوند مساله بسيار پيچيده مي شود. در روش تک ناحيه اي فقط تعدادي معادلة بقا در تمام نواحي پيل سوختي به کار مي رود. در اين روش نيازي به مشخص کردن شرايط مرزي در فصل مشترك بين نواحي نمي باشد و شرايط مرزي فقط در سطح بيروني پيل مورد نياز است. با به کار بردن روش تک ناحيه اي ممکن است يک معادله در ناحيه اي خاص از پيل برقرار نباشد ولي براي اجتناب از اعمال معادالت متفاوت در هر ناحيه مي توان در روش عددي با اعمال عبارت چشمه بزرگ و تعيين خواص فيزيکي آن ناحيه تمام معادالت را به طور يکسان در تمام نواحي به کار برد. به عنوان مثال به دليل عدم نفوذ اکسيژن به داخل غشا معادلة بقا اکسيژن فقط بايد در سمت کاتد حل شود و در سمت آند نيازي به حل کردن اين معادله نمي باشد. اما براي اينکه در هر ناحيه معادله اي جداگانه حل نشود اين معادله در ناحيه آند نيز حل مي شود [.]26 با انتخاب روش تک ناحيه اي معادالت حاكم بر پيل سوختي همراه با شرايط مرزي مشخص شده به روش حجم محدود گسسته شده و با استفاده از نرم افزاري به زبان فرترن حل شده اند. در اين نرم افزار ميدان هاي سرعت و فشار با استفاده از قاعدة سيمپل به دست آمده اند [.]26 براي حل مجموعه معادالت از يك روند تكراري استفاده شده است و حل تا رسيدن به همگرايي با دقت 10-6 ادامه پيدا كرده است. مهمترين علت انتخاب روند تكرار براي حل معادالت به هم متصل بودن آنها مي باشد. براي شبکه بندي الگوي مورد نظر از يک شبکه مستطيلي با 250 گره در راستاي y و تعداد 10 30 50 و 60 گره در هر كدام از نواحي مجرا الية پخش گاز الية كاتاليست و الية غشا استفاده شده است. تعداد گره ها طوري تنظيم شده که نتايج الگوي عددي مستقل از تعداد شبکه شود. شبکه مذکور در راستاي طولي يکنواخت ولي در راستاي ضخامت به دليل ضخامت بسيار کم اليه هاي الکتروليت كاتاليست و الية پخش گاز غير يکنواخت مي باشد. 8 شكل 3 دامنة محاسباتي شبكه بندي و مرزهاي بيروني (خط چين ها) به منظور اعمال شرايط مرزي بر روي آنها شكل 4 مقايسه نمودار قطبش با نتايج آزمايشگاهي و مرجع [ ]7 Psat Pc, in Pc, in RTc, in C ch, in2o = RH c, in

ابراهيم افشاري / سيدعلي جزايري -5 نتايج -1-5 صحه گذاري الگوي عددي -2-5 تأثير مرطوب سازي گاز هاي ورودي براي اطمينان از هيدراته بودن و كمينه شدن افت اهمي غشا در بعضي الگوي هاي پيل سوختي سوخت و هواي کام ال مرطوب وارد مجاري آند و کاتد مي شود. در اين وضعيت گاز داخل الکترود کاتد در حين عملکرد پيل مي تواند فوق اشباع شود و حتي در چگالي جريان هاي ضعيف نيز ممکن است شناوري اتفاق افتد. همچنين هزينه هاي تجهيزات مرطوب سازي گازهاي ورودي و توان مصرفي نيز به سامانه تحميل مي شود. اخيرا در صنعت تمايل بر استفاده از رطوبت نسبي كم در ورودي کاتد مي باشد. در اين بخش تأثير مرطوب سازي گاز هاي ورودي با در نظر گرفتن آند کام ال مرطوب ( )RHa=100% و رطوبت نسبي کاتد از وضعيت رطوبت كم ( )RHc=25% تا وضعيت کام ال مرطوب ( )RHc=100% بر عملکرد پيل بررسي مي شود. در همه موارد دما فشار و ضريب استوکيومتريک گازهاي ورودي پيل به ترتيب برابر 353 کلوين 1 5 اتمسفر و 2 است. متغير هاي هندسي و فيزيکي پيل سوختي شبيه سازي شده در جدول ( )1 آورده شده است. شکل ( )5 اشباع آب مايع در فصل مشترک الية واكنشگر / الية پخش گاز کاتد را در سه وضعيت مختلف درصد رطوبت نشان مي دهد. موقعي که غلظت آب از غلظت اشباع بيشتر مي شود آب چگاليده شده و مايع تشکيل مي شود. در وضعيتي که گازهای ورودی کام ال مرطوب هستند چگالش از ابتداي مجرا شروع و در سرتاسر الية پخش گاز کاتد آب مايع تشکيل مي شود. آب مايع با بستن تخلخل هاي الية پخش گاز باعث شناوري اين اليه مي گردد. شناوري مانع رسيدن اکسيژن به الية واكنشگر مي شود و در نتيجه نرخ واکنش هاي الکتروشيميايي کاهش مي يابد و عملکرد پيل افت پيدا مي کند. در شرايطي که اکسيژن ورودي به کاتد کام ال مرطوب نيست چگالش در نزديکي خروجي شروع مي شود مقدار آب مايع و مکان شروع چگالش به درصد رطوبت ورودي وابسته است. با افزايش درصد رطوبت ورودي کاتد چگالش از مکاني نزديک تر به ورودي شروع شده و تا انتهاي الية پخش گاز ادامه پيدا مي کند. مقدار متغير متغيرهاي ابعادي ضخامت مجرا mm براي اطمينان از صحت شبيه سازي نمودار عملکرد پيل سوختي با نتايج آزمايشگاهي [ ]27 و نتايج عددي مرجع [ ]7 مقايسه شده است. شرايط شبيه سازي مشابه شرايط آزمايشگاهي است که سوخت و هواي خشک با دماي 50 درجه سلسيوس وارد پيل سوختي مي شود. شکل ( )4 بيان کننده توافق خوبي بين نتايج به دست آمده از الگوي حاضر و نتايج آزمايشگاهي است در صورتي که حداکثر اختالف %17 مي باشد. علت اين اختالف دو بعدي بودن الگوي حاضر است که انتقال جرم در زير صفحات جمع کننده را نشان نمي دهد. اما در چگالي جريان هاي قوي نتايج حاضر نسبت به مرجع [ ]7 به نتايج آزمايشگاهي نزديک تر است زيرا الگوي حاضر دو فازي است و تأثير شناوري بر عملکرد پيل نيز در نظر گرفته شده است. جدول 1 متغير هاي پيل سوختي [ ]25 ضخامت الية پخش گاز µm 300 ضخامت اليه واكنشگر µm 10 ضخامت غشا µm 50.8 طول پيل mm 70 غلظت مولي هيدروژن و اکسيژن مرجع mol/m3 40 متغيرهاي انتقال چگالي جريان تبادل بر مساحت آند A/m3 1.0 109 چگالي جريان تبادل بر مساحت كاتد A/m3 2.0 104 كشش سطحي N/m 0.0625 1.101 10-5 گرانروي گاز آند pa s گرانروي گاز كاتد pa s 1.881 10 ضريب پخش هيدروژن در ]m /s],353k,1.5 atm -5 5.457 10 ضريب پخش اكسيژن در ]m2/s],353k,1.5 atm 1.806 10-5 ضريب پخش آب آند در ]m2/s],353k,1.5 atm 5.457 10-5 ضريب پخش آب كاتد در ]m2/s],353k,1.5 atm 2.236 10-5 2-5 خواص مواد تخلخل الية پخش گاز و واكنشگر آند / كاتد نفوذپذيري الية پخش گاز آند / كاتد m2 زاوية تماس الية پخش گاز آند / كاتد جرم تعادلي غشا kg/mol چگالي غشاي خشك kg/m3 0.6 6.875 10-12 110 1.1 1.98 103 شكل 5 نمودار اشباع آب مايع در فصل مشترک واكنش گر / الية پخش گاز با درصدهای مختلف رطوبت ورودی 9

تحليل عملکرد سامانة پيل سوختي غشا پليمري در خودرو شكل 8 نمودار ولتاژ - چگالي جريان در نرخ هاي مختلف جريان ورودي شكل 6 نمودار ولتاژ - چگالي جريان در سطح هاي مختلف مرطوب سازي کاتد شكل 9 نمودار چگالي توان - چگالي جريان در نرخ هاي مختلف جريان ورودي -3-5 تأثير شار ورودي و ضرايب استوکيومتريک شكل 7 نمودار چگالي توان - چگالي جريان در سطح هاي مختلف مرطوب سازي کاتد 10 در طراحي پيل سوختي غشا پليمري متداول است که از ضرايب استوکيومتريک باال استفاده شود تا گازهاي واکنشگر فراوان براي پيل تأمين شود و عملکرد پيل بهبود يابد. اما ضرايب استوکيومتريک باال افت هاي پارازيتي در تنجار هوا را افزايش مي دهد و باعث کاهش بازده کلي سامانة پيل سوختي مي شود [.]13 وقتي گاز هاي ورودي به پيل کام ال مرطوب نيستند نيز ضرايب استوکيومتريک باال بر عملکرد پيل تأثير منفي مي گذارد زيرا باعث انتقال آب بيشتر از پيل به بيرون و خشک شدن غشا مي شوند. در اين بخش تأثير ضرايب استوکيومتريک ورودي بر عملکرد پيل سوختي بررسي مي گردد. براي همه موارد رطوبت نسبي آند %100 و کاتد %25 و دما و فشار ورودي 80 درجه سلسيوس و 1.5 اتمسفر مي باشد. شکل هاي ( )8 و ( )9 نمودار هاي ولتاژ و چگالي توان پيل بر حسب چگالي جريان شکل هاي ( )6 و ( )7 نمودار هاي ولتاژ و چگالي توان بر حسب چگالي جريان را با درصدهاي مختلف مرطوب سازي کاتد نشان مي دهند. در چگالي جريان هاي ضعيف که تغيير فاز در داخل پيل سوختي روي نمي دهد عملکرد پيل با افزايش درصد رطوبت در ورودي کاتد بهبود مي يابد زيرا در اين وضعيت افت هاي اهمي نسبت به ديگر افت ها غالب است و اين افت با افزايش محتواي آب غشا کاهش مي يابد. با افزايش چگالي جريان عملکرد پيل با افزايش درصد رطوبت کاهش مي يابد. با افزايش رطوبت ورودي مطابق شکل ( )5 شناوري در ناحية وسيع تري از الية پخش گاز کاتد اتفاق مي افتد و وقتي گازهاي ورودي کام ال مرطوب هستند شناوري در سرتاسر الية پخش گاز کاتد اتفاق مي افتد. اين پديده باعث مي شود تخلخل هاي الية پخش گاز بسته شده و اکسيژن کمتري به الية پخش گاز برسد و در نتيجه عملکرد پيل افت پيدا مي کند. چون توان پيل حاصل ضرب ولتاژ در چگالي جريان پيل مي باشد پديده هاي بيان شده اثرات مشابه بر نمودار چگالي توان دارند و بيشينه توان وقتي رطوبت نسبي کاتد ضعيف است قابل دستيابي است.

ابراهيم افشاري / سيدعلي جزايري -4-5 تأثير دماي ورودي شناوري بر توزيع چگالي جريان در طول مجرا تأثير مي گذارد. شکل ( )10 توزيع چگالي جريان در ولتاژ عملکرد 0.6 ولت در حالتي که آند کام ال مرطوب و کاتد با رطوبت نسبي %25 و دماي عملکرد پيل 80 درجه سلسيوس است را نشان مي دهد. به دليل باال بودن نرخ جريان ورودي در مجاري آند و کاتد توزيع چگالي جريان تقريب ا يکنواخت است. مقطع 1 چگالي جريان در محلي که تغيير فاز رخ مي دهد به دليل تأثير شناوري داراي تغيير شيب مي باشد. در الگوي دو فاز و در محلي که تغيير فاز روي مي دهد ( )y=0.045m شيب نمودار کم مي شود و چگالي جريان با نرخ کمتري کاهش مي يابد. بايد توجه داشت كه تغييرات چگالي جريان بر توزيع اکسيژن تأثير مي گذارد و بالعکس يعني شيب تغييرات غلظت اکسيژن در طول مجرا نيز مشابه تغييرات چگالي جريان مي باشد. تغييرات چگالي جريان بر توزيع دماي پيل تأثير مي گذارد زيرا مهمترين چشمه حرارتي در پيل غشا پليمري ناشي از گرماي واکنش هاي الکتروشيميايي و بازگشت ناپذيري اين واکنش ها مي باشد که مطابق معادلة ( )28 متناسب با چگالي جريان است. به دليل اينكه چگالي جريان موضعي در طول مجرا كاهش مي يابد نرخ توليد گرما نيز در طول مجرا كاهش يافته و بيشينة آن نزديك به ورودي مجرا مي باشد. از اين رو بيشينة دما نيز در نزديك ورودي مجراي كاتد اتفاق مي افتد. شكل ( )11 تغييرات دما براي ضخامت اليه هاي مختلف در سه مقطع نزديك ورودي وسط و انتهاي مجرا را نشان مي دهد. دما به سمت انتهاي مجرا كاهش مي يابد و بيشينة دما در همه مقاطع در فصل مشترك اليه كاتاليست و غشا اتفاق مي افتد. بيشينة تغييرات دما در ولتاژ 0.6 ولت برابر 3.6 درجه سلسيوس مي باشد. هر چند تغييرات دما در پيل باال نمي باشد اما به دليل اينكه بيشينة دماي تحمل پيل 5 درجه سلسيوس مي باشد تغييرات دماي به دست آمده بسيار قابل توجه مي باشد. اين موضوع خصوص ا وقتي که پيل ها با هم سري مي شوند و توده پيل را مي سازند با اهميت تر مي شود. شکل ( )12 بردارهاي سرعت در مقطعي از پيل را نشان مي دهد. سرعت در اليه هاي پخش گاز كاتاليست ها و غشا نسبت به مجاري كمتر و از مرتبه 10-3 است و در نتيجه انتقال حرارت در اين نواحي عمدت ا به صورت هدايت حرارتي مي باشد. سرعت در الية غشا به دليل کوچک تر بودن ضريب نفوذپذيري اين اليه نسبت به اليه هاي پخش گاز و واكنشگر ها عم ال صفر مي باشد. در ابتداي مجاري سرعت در حال توسعه است و سپس به صورت توسعه يافته مي شود. به علت بزرگ تر بودن سرعت در مجراي كاتد در اين مجرا سرعت با مجرا بيشتري به حالت توسعه يافته مي رسد. شکل ( )13 نمودار قطبش پيل و شکل ( )14 نمودار چگالي توان پيل بر حسب چگالي جريان را در دماهاي مختلف ورودي نشان مي دهد. در همه دماهاي بررسي شده فشار ورودي 1 5 اتمسفر ضريب استوکيومتريک برابر 2 آند کام ال مرطوب و کاتد با رطوبت نسبي %25 است. در تمامي ولتاژ هاي خروجي با افزايش دما عملکرد پيل افزايش شكل 10 نمودار تغييرات چگالي جريان در طول مجرا شكل 11 نمودار تغييرات دما در جهت ضخامت اليه هاي پيل سوختي در سه مقطع نزديك ورودي وسط و انتهاي مجرا 1 - Profile 11 را در استوکيومتريک هاي مختلف نشان مي دهند. در چگالي جريان هاي پايين به دليل اينکه عملکرد پيل غالب ا تحت تأثير افت فعال سازي مي باشد پيل در همه نرخ هاي جريان عملکرد تقريب ا يکساني دارد. در چگالي جريان هاي متوسط (بزرگ تر از 0.1 آمپر بر سانتيمتر مربع) عملکرد پيل در کمترين نرخ جريان بهتر مي باشد زيرا در اين وضعيت غلظت آب داخل مجرا سريع تر افزايش و در نتيجه غشا سريع تر مرطوب مي شود. در چگالي جريان هاي باال (بزرگ تر از 1 آمپر بر سانتيمتر مربع) بدترين عملکرد پيل در کمترين نرخ جريان حاصل مي گردد. زيرا در چگالي جريان هاي باال که افت غالب در داخل پيل انتقال جرم است با کاهش استوکيومتريک ورودي محدوديت هاي انتقال جرم زياد مي شود. با کاهش استوکيومتريک نيز شناوري در فاصله نزديک تري به ورودي کاتد اتفاق مي افتد و باعث مي شود اکسيژن کمتري به اليه واكنشگر برسد و عملکرد پيل افت پيدا کند. مي يابد. در چگالي جريان هاي ضعيف عملکرد پيل در دماهاي مختلف اختالف کمي با هم دارند که اين اختالف ناشي از افزايش چگالي جريان تبادل و نرخ واکنش هاي الکتروشيميايي مي باشد. در چگالي جريان هاي متوسط که افت هاي اهمي در پيل سوختي غالب هستند با افزايش دما هدايت يوني غشا افزايش يافته و عملکرد پيل بهبود مي يابد. در چگالي جريان هاي باال نيز افزايش دما باعث افزايش فشار بخار مي شود که اين امر مانع تأثير منفي شناوري بر عملکرد پيل مي شود. بايد توجه داشت که در دماهاي خيلي باال (مانند 90 درجه سانتيگراد ) نيز اگر چه افزايش دماي عملکرد پيل مي تواند افت هاي انتقالي را کاهش دهد و نرخ واکنش هاي الکتروشيميايي را افزايش دهد اما اين افزايش دما مي تواند پتانسيل پيل را به دليل افزايش فشار جزئي بخار آب و خشک شدن غشا كاهش دهد. خشك شدن نيز باعث كاهش رسانايي يوني مي شود و تنش هاي حرارتي نيز در اين حالت زياد مي شود و مي تواند گسيختگي غشا را به همراه داشته باشد. به همين دليل نمودار عملکرد در دماهاي 80 درجه سلسيوس و خنك تر بررسي مي شود.

تحليل عملکرد سامانة پيل سوختي غشا پليمري در خودرو -5-5 تأثير فشار ورودي شكل 13 نمودار ولتاژ - چگالي جريان در دماهاي ورودي مختلف شكل 14 نمودار چگالي توان - چگالي جريان در دماهاي ورودي مختلف 12 مشابه رفتار دما فشار ورودي نيز تأثير زيادي بر عملکرد پيل سوختي غشا پليمري دارد زيرا که تغيير فشار بر ترکيب گازهاي ورودي چگالي جريان تبادل پتانسيل مدار باز و ضرايب پخش تأثير مي گذارد. هر چند در يک تک حجره پيل سوختي افت فشار ضعيف است اما عالوه بر تأثير فشار ورودي بر عملکرد پيل افت فشار نيز در داخل پيل و بخصوص توده پيل سوختي حائز اهميت مي باشد. افت فشار سبب مي شود بخشي از توان توليدي پيل در تنجار به منظور جبران اين افت تلف شود. شکل ( )15 تغييرات فشار در سمت کاتد پيل و در طول مجرا را نشان مي دهد. شکل ( )16 نمودار قطبش و شکل ( )17 نمودار چگالي توان پيل سوختي در فشارهاي مختلف عملکرد را نشان مي دهد. در همة فشارهاي بررسي شده دماي ورودي 80 درجه سلسيوس ضريب استوکيومتريک برابر 2 آند کام ال مرطوب و کاتد با رطوبت نسبي %25 است. در همه چگالي جريان ها با افزايش فشار عملکرد پيل افزايش مي يابد. اختالف عملکرد در چگالي جريان هاي پايين ناشي از افزايش پتانسيل مدار باز با افزايش فشار طبق معادله نرنست و افزايش نرخ واکنش هاي شيميايي مي باشد. در چگالي جريان هاي متوسط که افت هاي اهمي در پيل سوختي غالب هستند با افزايش فشار نرخ توليد آب در واكنشگر افزايش يافته و ميزان آب غشا افزايش مي يابد که باعث افزايش هدايت يوني غشا مي شود و در نتيجه عملکرد پيل بهبود مي يابد. تقطير در پيل موقعي اتفاق مي افتد که فشار جزئي بخار آب به فشار اشباع برسد. وقتي فشار پيل افزايش مي يابد غلظت بخار در جريان گازهاي داخل پيل کمتر و آب بيشتر به شکل مايع در مي آيد که باعث شناوري پيل مي شود و عملکرد پيل افت مي يابد. اما با افزايش فشار ترکيب گازهاي ورودي به پيل سوختي نيز کم مي شود. فشار جزئي بخار آب در ورودي مساوي با فشار اشباع در دماي مرطوب سازي واکنشگرهاي ورودي مي باشد که با افزايش فشار ورودي نسبت جرمي آب ورودي به پيل کاهش مي يابد. در چگالي جريان هاي قوي با کم شدن غلظت آب تمرکز آب در الية پخش گاز بسيار کم مي شود و در نتيجه عملکرد پيل بهبود مي يابد. بايد توجه داشت که افزايش فشار کاتد باعث افزايش توان مصرفي تنجار هوا مي شود و با افزايش فشار درصد بيشتري از کار توليدي پيل در تنجار مصرف مي گردد. شكل 12 بردارهاي سرعت در مقطعي از مجرا هاي سوخت و اكسيدكننده

ابراهيم افشاري / سيدعلي جزايري -6 نتيجه گيري -7 نمادها حروف التين فعاليت آب يا مساحت فعال بر واحد حجم m /m 3 a شكل 16 نمودار ولتاژ - چگالي جريان در فشارهاي مختلف ورودي شكل 17 نمودار چگالي توان - چگالي جريان در فشارهاي مختلف ورودي Ci غلظت جزء mol/m, i Di ضريب پخش جزء m2/s, i EW جرم تعادلي الکتروليت kg/mol F ثابت فارادي C/mol,96487 i0 چگالي جريان تبادل A/m I چگالي جريان A/m J جريان انتقالي A/m 2 3 2 2 3 J تابع Leverett jk شار جرمي جزء kg/m2 s, k krk نفوذپذيري نسبي فاز k K نفوذپذيري هيدروليكي m 2 Mi جرم مولكولي جزء kg/mol, i fmik نسبت جرمي جزء i در فاز k n تعداد الكترون nd ضريب زهكشي الكترو اسمزيك 13 شكل 15 نمودار افت فشار در طول مجرا در سمت کاتد در اين مطالعه يک الگوي عددي دو بعدي و دو فاز پيل سوختي غشا پليمري براي کاربري در خودرو ارائه شده و شرايط کاري مختلف از قبيل درصد رطوبت نرخ جريان دما و فشار گاز هاي ورودي بر عملکرد پيل بررسي شده است. دستاوردهاي مطالعه بدين قرار مي باشد. در چگالي جريان هاي ضعيف عملکرد پيل با افزايش درصد رطوبت در ورودي کاتد بهبود مي يابد اما با افزايش چگالي جريان عملکرد پيل به دليل شناوري الية پخش گاز کاتد توأم با افزايش رطوبت کاهش مي يابد. شناوري باعث بسته شدن تخلخل هاي الية پخش گاز و نرخ مصرف کمتر اکسيژن و در نتيجه افت عملکرد پيل مي شود. در چگالي جريان هاي ضعيف عملکرد پيل سوختي با تغيير نرخ جريان ورودي تقريب ا ثابت است اما در چگالي جريان هاي متوسط عملکرد پيل در نرخ جريان پايين بهتر مي باشد و در چگالي جريان هاي باال پيل ضعيف ترين عملکرد را در نرخ جريان پايين دارا مي باشد که اين امر ناشي از محدوديت انتقال جرم و شناوري کاتد مي باشد. در تمام ولتاژ هاي خروجي پيل با افزايش دماي ورودي عملکرد پيل افزايش مي يابد که اين امر ناشي از افزايش چگالي جريان تبادل نرخ واکنش هاي الکتروشيميايي هدايت يوني غشا و کم شدن تأثير شناوري مي باشد اما دماي 80 درجه سلسيوس دماي بهينه عملکرد پيل سوختي غشا پليمري مي باشد. در همه ولتاژ هاي خروجي پيل با افزايش فشار عملکرد پيل افزايش مي يابد که اين امر به دليل افزايش پتانسيل مدار باز افزايش نرخ واکنش هاي شيميايي افزايش ميزان آب غشا و کم شدن تأثير شناوري به دليل كاهش نسبت جرمي آب ورودي مي باشد. افزايش درصد رطوبت ورودي نرخ جريان ورودي و فشار کاتد باعث افزايش توان مصرفي تجهيزات جانبي در سامانة پيل سوختي مي شود که توان تجهيزات جانبي از توان قابل دسترس جهت خودرو مي کاهد.

تحليل عملکرد سامانة پيل سوختي غشا پليمري در خودرو فشار Pa P RH رطوبت نسبي s اشباع مايع S عبارت چشمه T دما K u سرعت m/s Uo پتانسيل مدار باز V Vcell پتانسيل پيل V V حجم m3 حروف يوناني α ضريب انتقال ظاهري واكنش θc زاويه تماس 0 φ پتانسيل V ε ضريب تخلخل γc ضريب تصحيح انتقال اجزاء ζ نرخ جريان استوكيومتريك λ محتوي آب پليمر λk نفوذپذيري نسبي فاز k μ گرانروي Pa.s 14 κ ρ چگالي kg/m3 ρdry,m چگالي غشا خشك kg/m3 ν 3 گرانروي سينماتيكي s/m σ كشش سطحي N/m زير نويس ها و باال نويس ها a آند c کاتد و مويين e الكتروليت eff مؤثر i جزء شيميايي in ورودي g گاز k فاز l مايع react واكنش ref مرجع s جامد sat اشباع 0 شرايط استاندارد 298.15K و 101.3kPa R ثابت عمومي گاز 8.314 J/mol K η اضافه پتانسيل V هدايت يوني S/m

سيدعلي جزايري / ابراهيم افشاري Downloaded from engineresearch.ir at 9:14 +0330 on Sunday September 30th 2018 Reference: [14].R. K. Ahluwalia, X. Wang, Direct hydrogen fuel cell systems for hybrid [1].E. Afshari, S. A. Jazayeri, Water management in a PEM fuel cell using two phase vehicles, J. Power Sources, 139, pp. 152 164, 2005. single-domain model, Proceedings of ASME, European Fuel Cell Technology & [15].F. Barbir, B. Balasubramanian, J. Neutzler, Trade-off design analysis of Applications December 11-14, Rome, Italy, 2007. operating pressure and temperature in PEM fuel cell systems, Proc. Advanced [2].U. Pasaogullari, C. Y. Wang, Two-phase modeling and flooding prediction of Energy Systems Division, ASME International Mechanical Engineering Congress polymer electrolyte fuel cells, J. Electrocheml. Soc., 152, pp. A380-A390, 2005. and Exposition, Nashville, TN, November 14 19, 39, pp. 305 315. 1999. [3].U. Pasaogullari, C. Y. Wang, Liquid water transport in gas diffusion layer of [16].D. B. Boettner, G. Paganelli, Y. G. Guezennec, G. Rizzoni, M. J. Moran, Proton polymer electrolyte fuel cells, J. Electrocheml. Soc., 151, pp. A399-A406, 2004. exchange membrane fuel cell system model for automotive vehicle simulation and [4].H. Ju, H. Meng, C. Y. Wang, A single-phase, non-isothermal model for PEM control, J. Energy Resources Technology, 124, pp. 20-27, 2002. fuel cells, In. J. Heat and Mass Transfer, 48, pp. 1303 1315, 2005. [17].S. Eaves, J. Eaves, A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles, [5].C. Y. Wang, Fundamental models for fuel cell engineering, J. Chem. Rev., 104, J. Power Sources, 130, pp. 208 212, 2004. pp. 4727-4766, 2004. [18].R. M. Moore, K. H. Hauer, D. Friedman, J. Cunningham, P. Badrinarayanan, [6].H. Ju, C. Y. Wang, S. Cleghorn, U. Beuscherb, Nonisothermal modeling of, S. Ramaswamy,, A. Eggert,, A dynamic simulation tool for hydrogen fuel cell polymer electrolyte fuel cells I. experimental validation, J. Electrochem. Soc., 152, vehicles, J. Power Sources, 141, pp. 272 285, 2005. pp. A1645-A1653, 2005. [19].J. J. Hwang, D. Y. Wang, N. C. Shih, Development of a lightweight fuel cell [7].S. Um, C. Y. Wang Computational study of water transport in proton exchange vehicle, J. Power Sources, 141, pp. 108 115, 2005. membrane fuel cells, J. Power Sources, 156, pp. 211 223, 2006. [20].H. Yoshikawa, Y. Hishinuma, T. Chikahisa, Performance of a polymer [8].V. Mishra, F. Yang, R. Pitchumani, Analysis and design of PEM fuel cells, J. electrolyte fuel cell for automotive applications, J. Heat transfer, Asian research, Power Sources, 141, pp. 47 64, 2005. 31, pp. 421-429, 2002. [9].H. Ju, C. Y. Wang, S. Cleghorn, U. Beuscher, Nonisothermal modeling of [21].R. Tirnovan, A. Miraoui, R. Munteanu, I. Vadan, H. Balan, Polymer electrolyte polymer electrolyte fuel cells, II. Parametric study of low-humidity operation, J. fuel cell system (PEFC) performance analysis, automation, quality and testing, Electrochem. Soc., 153, pp. A249-A254, 2006. robotics, IEEE International Conference, 1, pp.457-462, 2006. [10].J. J. Hwang, A complete two-phase model of a porous cathode of a PEM fuel [22].T. Berning, N. Djilali, Three-dimensional computational analysis of transport cell, J. Power Sources, 164, pp. 174 181. 2007. phenomena in a PEM fuel cell-a parametric study, J. Power Sources, 124, pp. 440- [11].J. M. Ogden., M. M. Steinbugler, T. G. Kreutz, A comparison of hydrogen, 452, 2003. methanol and gasoline as fuels for fuel cell vehicles: implications for vehicle design [23].C. Y. Wang, P. Cheng, Multiphase flow and heat transfer in porous media, Int. and infrastructure development, J. Power Sources, 79, pp. 143 168, 1999. J. Heat Mass Transfer, 39, pp. 3607-3618, 1996. [12].D. J. Friedman, Maximizing direct-hydrogen PEM fuel cell vehicle [24].T. Berning, N. Djlali, A 3D, multiphase, multicomponent model of the cathode efficiency is hybridization necessary?, fuel cell power for transportation, SAE and anode of a PEM fuel cell, J. Electrochem. Soc. 150, pp. A1589-A1598. 2003. Publication Paper 1999-01-0530, pp. 9 17, 1999 [25].Y. Wang, C. Y. Wang, A non-isothermal, two-phase model for polymer [13].D. Boettner, G. Paganelli, Y. Guezennec, G. Rizzoni, M. Moran, Component electrolyte fuel cells, J. Electrochem. Soc., 153, pp. A1193-1200, 2006. power sizing and limits of operation for proton exchange membrane fuel cell/battery [26].S. V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere, New hybrid automotive applications, ASME International Mechanical Engineering York, 1980. Congress and Exposition, Session: Advanced Automotive Technologies-II, Session [27].F. N. Buchi, S. Srinivasan, Operating proton exchange membrane fuel cells No. DSC-8, November 11 16, 2001. without external humidification of the reactant gases, J. Electrochem. Soc. 144, pp. 2767 2773, 1997. 15 1388 پاييز / شمارة شانزدهم / سال پنجم / پژوهشي تحقيقات موتور - فصلنامة علمي

Downloaded from engineresearch.ir at 9:14 +0330 on Sunday September 30th 2018 E. Afshari/ S. A. Jazayeri Performance Analysis of a Polymer Electrolyte Fuel Cell System for Automotive Application E. Afshari* Assistant Professor Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering University of Isfahan Em_afshari@yahoo.com S. A. Jazayeri Assistant Professor Department of Mechanical Engineering K.N. Toosi University of Technology *Corresponding Author Received: Apr. 19, 2009 Accepted in Revised Form: Apr. 10, 2010 Abstract In this study a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) model is analyzed for automotive application and the parameters that are affecting its performance such as relative humidity, mass flow rate, temperature and pressure of inlet gases also, heat and water management are major issues in these cells are investigated. Here, the equation of continuity, momentum, conservation of spices, energy, charges together with electrochemical kinetic for all regions within the cell is developed as a single-domain and solved numerically. The voltage and power density profiles are derived in terms of current density for different operating conditions. The result indicates that increasing temperature and pressure for all output voltages would improve cell performance. For high voltages where there is no phase changes in the cell, increasing the percentage of humidity and reducing mass flow rate would have a positive effect on cell performance, but at low output voltage by increasing relative humidity and reducing mass flow rate would hamper cell performance. Also increasing inlet pressure, humidity and mass flow rate results in partial power loss of fuel cell. Keywords: PEFC System, Automotive, Heat and Water Management, Operating Condition, CFD The Journal of Engine Research/Vol. 16 / Autumn 2009