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

Experimental Investigation of Integrated Power System of Dead-End PEMFC H2/O2 Stack with Large Active Area and Internal Humidifier

پيل‌هاي سوختي پليمري با آند و كاتد انتها بسته مي‌توانند با سيستمي نسبتا ساده درصد مصرف سوخت‌هاي اكسيژن و هيدروژن را افزايش دهند. با اين وجود 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 استك پيل سوختي ارائه شده است كه بدون استفاده از دستگاه‌هاي گردش مجدد هيدروژن و اكسيژن مثل پمپ هيدروژن و اجكتور كه نيازمند صرف توان اضافي هستند مي‌تواند درصد مصرف سوخت بالايي براي گازهاي واكنشگر ايجاد كند. ايده اصلي طرح ارائه شده تقسيم استك به دو مرحله مجزا است به اين ترتيب كه گاز خروجي از مرحله اول بعد از ورود به جداساز به مرحله بعدي وارد مي‌شود. گازهاي واكنشگر قبل از ورود به سل‌ها از يك رطوبت‌زن كه به صورت يكپارچه با استك مي‌باشد عبور كرده و رطوبت مورد نياز براي عملكرد مناسب را كسب مي‌كنند. در طرح ارائه شده اگرچه پيل سوختي در حالت انتها بسته كار مي‌كند اما با توجه به مرحله‌اي بودن استك، بيشتر سل‌ها در حالت استوكيومتري بزرگتر از 1 كار مي‌كنند و با اين طراحي نياز به پرچ كمتري براي دفع آب تجمع يافته است. به عبارتي ديگر با اين طراحي، طرح انتها بسته كارايي معادل با طرح انتها باز دارد. تمامي تست‌هاي عملكردي در يك سيستم قدرت يكپارچه با استك پيل سوختي انجام شده است.

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) 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 a local fuel starvation, which degrades the performance and durability of PEMFCs. In this paper for the first time, a new design for a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel-cell stack is presented that can achieve higher fuel utilization without using hydrogen and oxygen recirculation devices such as hydrogen pumps or ejectors, which consume parasitic power and require additional control schemes. Unified humidifier is another novelty that is applied for the first time. All part of systems is compact in a module. The basic concept of the proposed 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, a 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 condition has the same performance as open-end mode. The all performance tests were carried out at an integrated power system.