تحليل آزمايشگاهي و عددي پيل سوختي ‌پليمري با يك كانال مارپيچ متقارن جديد

Experimental and Numerical analysis of PEM fuel cell performance with a new helically symmetrical flow channel

در اين مقاله ابتدا يك پيل سوختي پليمري با الگوي جديد كانال جريان، با عنوان الگوي كانال مارپيچ متقارن (جديد) طراحي و ساخته‌شده است. پيل ساخته‌شده داراي توان نامي حدود 10 وات، مساحت ناحيه فعال 25 سانتي‌متر مربع و داراي غشاء نفيون-117 مي‌باشد. با استفاده از دستگاه تست پيل سوختي اثر دما و رطوبت نسبي گازهاي سمت كاتد بر عملكرد آن (نمودار ولتاژ – چگالي جريان پيل) موردبررسي قرارگرفته است. نتايج آزمايشگاهي نشان داد كه پيل ساخته‌شده قادر است ماكزيمم چگالي توان (حدود 45/0 وات بر سانتي‌متر مربع) را توليد نمايد. سپس مدل‌سازي عددي سه‌بعدي و كامل پيل سوختي ساخته‌شده (شامل همه 9 لايه پيل سوختي) و در ابعاد واقعي انجام‌شده است. بدين منظور، معادلات ديفرانسيل پاره‌اي همبسته شده غيرخطي بقاء جرم، بقاء اندازه حركت (مؤمنتم)، بقاء اجزاء، بقاء انرژي و شارژ به همراه روابط سينتيك الكتروشيميايي در نواحي مختلف پيل به‌صورت الگوي تك ناحيه‌اي و تك فاز (فقط فاز گاز) تدوين و به كمك نرم‌افزار تجاري فلوئنت حل‌شده‌اند. نتايج مدل‌سازي عددي نشان مي‌دهد كه كانال مارپيچ متقارن (جديد) قادر است حتي در چگالي‌هاي جريان بالا توزيع دما و غلظت مطلوبي را در سراسر ناحيه فعال ايجاد نمايد.

In this paper, a Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell with new symmetrical flow channel pattern was designed and fabricated in-house. The fabricated PEM fuel cell has nominal power of 10 W, with an active area of 25 cm2 and Nafion 117 membrane. Using a fuel cell test station, the effects of temperature and relative humidity on the performance of fabricated PEM fuel cell (i.e. voltage - current density curve) was examined. Laboratory results showed that fabricated PEM fuel cell is able to produce maximum power density of about 0.45 [Wcm-2] or 11W power. A comprehensive three-dimensional, single phase and non-isothermal model is developed for the fabricated PEMFC. The presented model is a nine-layer model that consists of current collectors, flow channels, gas diffusion layers, catalysts layers at the anode and the cathode as well as the membrane. A commercial CFD software (Fluent) was used to solve the governing equation. Comparison of numerical and experimental results shows that there is a good agreement between them. The results indicate that the new flow pattern can produce uniform temperature, current density and concentration distributions over the PEM fuel cell active area.
Keywords: PEM fuel cell,