بررسي عملكرد يك مرطوب‌‌ساز غشايي آب-گاز قابل استفاده در سيستم پيل سوختي پليمري

An investigation of the performance of a water-gas membrane humidifier for polymer electrolyte membrane fuel cell systems

گازهاي واكنشگر در هنگام ورود به توده پيل سوختي غشا پليمري بايستي داراي رطوبت بهينه باشند. مرطوب سازي اين گازها به كمك يك مرطوب ساز غشايي صورت مي پذيرد. در مطالعه حاضر يك مدل تحليلي براي بررسي عملكرد يك مرطوب-ساز غشايي آب-گاز مورد استفاده در پيل سوختي ارايه شده است. در ابتدا روابط بقاي جرم و انرژي را براي سمت گاز مرطوب‌ساز اعمال نموده كه در نتيجه آن يك دستگاه معادله غيرخطي بر حسب دما و نسبت رطوبت گاز خروجي از مرطوب ساز حاصل مي‌شود. با حل دستگاه معادله حاصل، مي‌توان به ارزيابي عملكرد مرطوب‌ساز از نقطه نظر دما و نقطه شبنم گاز خروجي از آن پرداخت. به كمك مدل توسعه داده شده، تاثير عواملي نظير دبي گاز، طول كانال، دما و فشار گاز ورودي به مرطوب‌ساز و عمق كانال گاز بر رطوبت نسبي، دماي خروجي و نيز نقطه شبنم گاز خروجي از مرطوب‌ساز بررسي شد. نتايج نشان مي دهد كه عمق كانال اثري بر دما و رطوبت گاز مرطوب خروجي ندارد. همچنين افزايش طول كانال سبب افزايش نقطه شبنم گاز خروجي از مرطوب‌ساز مي شود اما رطوبت نسبي ورودي تاثير چنداني بر روي نقطه شبنم گاز مرطوب خروجي ندارد. افزايش دماي هواي ورودي به مرطوب ساز نيز عملكرد مرطوب ساز را بهتر نمي كند. همچنين نتايج حاصل از مدل نشان مي دهد كه با افزايش فشار ورودي و استفاده از دبي هواي كمتر، عملكرد مرطوب ساز ارتقا مي‌يابد.

Reactant gases should be humidified before entering a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell stack. Humidification of the gases can be performed by a membrane humidifier. In the present study, an analytical model has been proposed to investigate the performance of a water-gas membrane humidifier which is used in the fuel cell systems. At first, a set of nonlinear equations was obtained by applying the mass and energy conservation laws on the gas side of the humidifier. The temperature and the humidity ratio of the outlet gases from the humidifier are the unknowns of these nonlinear equations. The proposed model can evaluate the performance of the humidifier based on the temperature and relative humidity of the outlet gases from the humidifier. The effects of different parameters like: gas flow rate, length and depth of channel, temperature and pressure of the inlet gases on the performance of the humidifier were studied by the developed model. The results show that the channel depth does not have an effect on the temperature and humidity of the humidified outlet gases. In addition, increasing the channel length causes an increase on the dew point of the outlet gases but the relative humidity of the dry inlet gas does not have a noticeable effect on the dew point of the outlet gases. Increasing the temperature of the inlet gases does not improve the humidifier performance, considerably. The results of the model show that increasing the inlet pressure and using less air flow improves the humidifier performance.