تحليل خطاهاي ابعادي صفحات دو قطبي فلزي در تك سلول پيل سوختي پليمري

Analysis of dimensional errors for metallic bipolar plates in single PEM fuel cell

توسعه ي فناوري پيل هاي سوختي پليمري جهت توليد برق و حرارت در سال هاي اخير مورد توجه قرار گرفته است. در ميان اجزاي اصلي پيل هاي سوختي پليمري، صفحات دوقطبي تاثير قابل توجهي بر هزينه و كارايي سامانه دارند. صفحات دوقطبي فلزي شكل دهي شده با ورق هاي نازك، به دليل مزايايي همچون هزينه ، استحكام مكانيكي و چگالي توان مناسب به عنوان جايگزين صفحات مرسوم گرافيتي گسترش يافته اند. انعطاف پذيري اين قطعات و برگشت فنري حين شكل دهي، خطاهاي ابعادي را اجتناب ناپذير مي نمايد و منجر به توزيع نامناسب فشار تماسي صفحات دوقطبي با لايه نفوذ گاز و افت كارايي پيل سوختي مي گردد. افزايش بيش از حد دقت توليد صفحات دوقطبي موجب افزايش هزينه و كاهش قابليت گسترش عمومي فناوري مي شود. بنابراين، به منظور كاهش هزينه هاي غيرضروري، مديريت طراحي و ساخت، بهبود كارايي و تدوين دانش فني، تحليل خطاهاي ابعادي صفحات دوقطبي فلزي توسط روش اجزا محدود و شبيه سازي مونت كارلو انجام مي گردد. ابتدا مدل تماس صفحه ي دوقطبي و لايه نفوذ گاز توسعه مي يابد و ارتفاع كانال ها و دندانه هاي صفحه ي دوقطبي بصورت پارامتري با تغييرات تصادفي و توزيع نرمال خطاي ابعادي مطرح مي گردد. سپس، توزيع فشار روي لايه نفوذ گاز (Pave و Pstd) به ازاي خطاهاي ابعادي مختلف توسط شبيه سازي مونت كارلو به دست مي آيد. با افزايش مقدار تلرانس ابعادي از mm 015/0± تا mm 075/0±، ميانگين فشار تماسي (Pave) 11% افت و انحراف معيار فشار تماسي (Pstd) تا بيش از 90% افزايش يافته است. يعني توزيع مطلوب فشار لايه نفوذ گاز با افزايش خطاي ابعادي كاهش مي يابد و مي توان تلرانس هاي ابعادي مناسب براي صفحات دوقطبي فلزي را مطابق نيازهاي مهندسي تعيين نمود.

In recent years, development of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) has been considered to generate electricity and heat. Among the main components of PEMFCs, bipolar plates (BPPs) have significant influence on cost and performance of the system. Metallic BPPs, formed using thin sheets, have been developed as an alternative to conventional graphite plates because of advantages such as suitable cost, mechanical strength and power density. Flexibility of the sheets and spring back during forming process make dimensional errors inevitable and lead to inappropriate contact pressure distribution between BPPs and gas diffusion layer (GDL), resulting in decrease of fuel cell performance. Excessive accuracy in BPP production results in an increase in the final cost and a decrease in the general usability of the technology. Therefore, to reduce unnecessary costs, managing design process and improving efficiency, analysis of BPP dimensional errors is done using finite element method and Monte Carlo simulation (MCS). First, contact model of the metallic BPP and GDL is developed and heights of each channel and each rib of BPP are fully parameterized due to stochastic variations of dimensional errors with normal distribution. Then, contact pressure distributions of GDL (Pave, Pstd) for different dimensional errors are obtained by MCSs. Increasing dimensional tolerance from 0.015 mm to 0.075 mm, average contact pressure (Pave) has decreased by 11% and standard deviation of contact pressure (Pstd) has increased up to 90%. Namely desirable distribution of GDL pressure is reduced by increasing the dimensional error and suitable dimensional tolerances for BPPs must be determined according to engineering requirements.