آنالیز مودال عددی و آزمایشگاهی پیل‌سوختی 400 وات

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

آزمایشگاه تحقیقاتی فناوری پیل‌سوختی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

پیلسوختی پلیمری با توجه به وجود صفحات متعدد با هندسه و خواص مکانیکی متفاوت به عنوان یک سیستم با ساختار پیچیده در نظر گرفته می‌شود. شناخت این ساختار جهت طراحی پیل‌سوختی در برابر بارهای دینامیکی وارده مانند شوک و ارتعاش امری ضروری میباشد. در این مقاله، آزمون مودال پیل‌سوختی 400 وات که از 4 سلول تشکیل شده است انجام گردید و داده‌های آزمایشگاهی به دست‌آمده با نتایج شبیه‌سازی عددی مورد مقایسه قرار گرفت. پیل‌سوختی مورد نظر در جهات عرضی و طولی تحریک شده و نتایج خروجی سنسورها در چند نقطه ثبت گردید. سپس، با تفسیر نتایج در حوزه زمان و استفاده از روش پاسخ فاز، فرکانس طبیعی عرضی و طولی اول مدل استخراج گردید. نتایج آزمون نشان داد که فرکانس عرضی اول مدل 500 هرتز و فرکانس طولی اول حدود 2500 هرتز است. همچنین، مقایسه فرکانسهای به دست آمده از آزمون و تحلیل عددی، اختلاف حداکثر 8 درصد را نشان میدهد. بنابراین، تحلیل عددی مدل با جزئیات کافی میتواند به شکل مناسبی خواص ارتعاشی مدل واقعی را پوشش دهد. همچنین، نتایج نشان داد که با تغییر 45 درصدی خواص هندسی و مکانیکی غشا، فرکانس طبیعی پیلسوختی تقریباً 4% تغییر می‌بابد. حذف صفحات غشا علاوه بر کاهش تعداد المان‌های مدل منجر به کاهش قیود تماس نیز می‌گردد، به طوری که در پیلسوختی مورد نظر هزینه محاسباتی با حذف صفحات غشا در مدل عددی 17% کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Modal Analysis of a 400 W Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

نویسندگان [English]

  • Mohammad Mahdi Mohammadi
  • Mohammad Mahdi Barzegari
Fuel cell Technology Research laboratory, Malek Ashtar University of Technology
چکیده [English]

With the increasing utilization of polymer electrolyte membrane fuel cells in cars, ships, and airplanes, the study of vibrational behavior of fuel cells has gained particular importance. In this paper, a modal analysis of 400-Watt 4-cells fuel cell with an active surface area of 225  has been performed numerically and experimentally. The time domain method has been used to extract global fuel cell frequencies. By interpreting the output data of the sensors and using the phase response angle, two natural frequencies of the model were extracted. The results of the test showed that the first transverse and longitudinal frequency of the model is 500 Hz and about 2500 Hz, respectively. Then, the simulation of the finite element model was studied in detail. A comparison of the frequencies obtained from the test and numerical analysis showed that the maximum difference is about 8%. Therefore, numerical analysis of the model with sufficient detail can adequately cover the vibrational properties of the real model. Also, the results showed that by changing the geometrical and mechanical properties of the membrane by 45%, the natural frequency of fuel cell changes through 4%. Furthermore, removing the membrane plates, in addition to reducing the number of model elements, reduces the contact constraints.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polymer electrolyte membrane fuel cells
  • modal analysis
  • Natural frequency
  • Finite element simulation
[1] T. Wilberforce, A. Alaswad, A. Palumbo, M. Dassisti, A. Olabi, Advances in stationary and portable fuel cell applications, International Journal of Hydrogen Energy, 41(37) (2016) 16509-16522.
[2] N. Rajalakshmi, S. Pandian, K. Dhathathreyan, Vibration tests on a PEM fuel cell stack usable in transportation application, International journal of hydrogen energy, 34(9) (2009) 3833-3837.
[3] V. Rouss, P. Lesage, S. Bégot, D. Candusso, W. Charon, F. Harel, X. François, V. Selinger, C. Schilo, S. Yde-Andersen, Mechanical behaviour of a fuel cell stack under vibrating conditions linked to aircraft applications part I: Experimental, International Journal of Hydrogen Energy, 33(22) (2008) 6755-6765.
[4] V. Rouss, D. Candusso, W. Charon, Mechanical behaviour of a fuel cell stack under vibrating conditions linked to aircraft applications part II: Three-dimensional modelling, International Journal of Hydrogen Energy, 33(21) (2008) 6281-6288.
[5] Y. Hou, W. Zhou, C. Shen, Experimental investigation of gas-tightness and electrical insulation of fuel cell stack under strengthened road vibrating conditions, international journal of hydrogen energy, 36(21) (2011) 13763-13768.
[6] G. Diloyan, M. Sobel, K. Das, P. Hutapea, Effect of mechanical vibration on platinum particle agglomeration and growth in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell catalyst layers, Journal of Power Sources, 214 (2012) 59-67.
[7] S. Imen, M. Shakeri, Reliability Evaluation of an Open‐Cathode PEMFC at Operating State and Longtime Vibration by Mechanical Loads, Fuel Cells, 16(1) (2016) 126-134.
[8] J. Deshpande, T. Dey, P.C. Ghosh, Effect of vibrations on performance of polymer electrolyte membrane fuel cells, Energy Procedia, 54 (2014) 756-762.
[9] C.W. Wu, B. Liu, M.Y. Wei, W. Zhang, Mechanical response of a large fuel cell stack to impact: A numerical analysis, Fuel Cells, 15(2) (2015) 344-351.
[10] X. Wang, S. Wang, S. Chen, T. Zhu, X. Xie, Z. Mao, Dynamic response of proton exchange membrane fuel cell under mechanical vibration, International Journal Of Hydrogen Energy, 41(36) (2016) 16287-16295.
[11] B. Liu, M. Wei, W. Zhang, C. Wu, Effect of impact acceleration on clamping force design of fuel cell stack, Journal of Power Sources, 303 (2016) 118-125.
[12] A. Baroutaji, J. Carton, M. Sajjia, A. Olabi, Materials in PEM fuel cells, Reference Module in Materials Science and Materials Engineering,  (2016).
[13] P.J. Blau, Friction Science and Technology: From Concepts to Applications, Second Edition, CRC Press, 2008.
[14] J.H. Lumkes, Control Strategies for Dynamic Systems: Design and Implementation, Taylor & Francis, 2001.