مقایسه دقت معادلات تجربی، نیمه-تجربی و تحلیلی برازش منحنی پلاریزاسیون پیل سوختی غشا تبادل پروتون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده محیط زیست و انرژی، واحد علوم و تحقیقات تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

3 استادیار، پژوهشکده انرژی، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

چکیده

عملکرد پیل سوختی غشا تبادل پروتون عمدتاً به‌وسیله منحنی پلاریزاسیون بیان می‌شود. منحنی پلاریزاسیون با محاسبه پتانسیل ترمودینامیکی، افت ولتاژهای اهمی، فعال‌سازی و غلظتی مشخص می‌شود. با استفاده از معادلات برازش منحنی پلاریزاسیون، ولتاژ خروجی پیل به ازا یک چگالی جریان معین و در شرایط عملیاتی مشخص، محاسبه می‌شود. بنابراین معادلات فراوانی برای پیش‌بینی یا برازش منحنی پلاریزاسیون ارائه‌شده‌اند که به علت غیرخطی بودن منحنی، دقت آن‌ها چالش‌ اصلی بوده است. با این‌وجود تاکنون مقایسه‌ این معادلات یا به‌طور کامل یا در سراسر منحنی پلاریزاسیون انجام نشده‌ است. در این تحقیق ابتدا معادلات برازش به  معادلات تحلیلی، تجربی و نیمه-تجربی دسته‌بندی شده، سپس دقت آن‌ها به‌وسیله منحنی پلاریزاسیون و ابزارهایی نظیر مجموع مربع خطاها، ضریب تعیین، تکرارها و مقادیر پارامترهای متناظر معادلات، با نرم‌افزار MATLAB به‌صورت کمی و کیفی مقایسه شدند. نتایج نشان می‌دهد که از بین معادلات تجربی بررسی‌شده، معادله این تحقیق از دقت بالاتری برخوردار است. معادله اکیموتو بهترین معادله نیمه-تجربی و معادله هاجی نیز بهترین معادله تحلیلی تشخیص داده شدند. نهایتاً معادلات برتر نیز با دو سری داده آزمایشگاهی باهم مقایسه شدند که معادله این تحقیق و معادله هاجی، با بیشترین دقت (ضریب تعیین بزرگتر از 999/0) درمجموع بهترین معادلات بررسی‌شده انتخاب شدند.

کلیدواژه‌ها


[1]   Gou B., Na W.K., Diong B., Fuel Cells: Modeling, Control, and Applications, Taylor & Francis Group, LLC, pp. 15-16, 2010.
[2]   Fraser S. D., Hacker V., An empirical fuel cell polarization curve fitting equation for small current density and no-load operation, J Appl Electrochem, Vol. 38, pp. 451–456, 2008.
[3]   Gao F., Blunier B., Miraoui A., Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling, Wiley & Sons, Inc., pp. 33-34, 2012.
[4]   Amphlett J. C., Baumert R. M., Mann R. F., Peppley B. A., Roberge P. R., Performance Modeling of the Ballard Mark IV Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell” J Electrochem. Soc. Vol. 142, pp. 1-8, 1995.
[5]   Srinivasan S., Ticianelli E. A., Derouin C. R., Redondo A., Advances in solid polymer electrolyte fuel cell technology with low platinum loading electrodes, J Power Sources, Vol. 22, pp. 359 – 375. 1988.
[6]   Kim J., Lee S.M., Srinivasan S., Chamberlin C. E., Modeling Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance with Empirical Equation, J Electrochem Soc, Vol. 142, pp. 2670-2674, 1995.
[7]   Squadrito G., Maggio G., Passalacqua E., Lufrano F., Patti A., An empirical equation for polymer electrolyte fuel cell behaviour,  J Appl Electrochem, Vol. 29, pp. 1449-1455, 1999.
[8]    Pisani L., Murgia G., Valentini M., D’Aguanno B., A new semi-empirical approach to performance curves of polymer electrolyte fuel cell, J Power Sources, Vol. 108, pp. 192-203, 2002.
[9]    Lee J.H., Lalk T.R., Appleby A.J., Modeling electrochemical performance in large scale proton exchange membrane fuel cell stacks, J. Appleby, J Power Sources, Vol. 70, pp. 258-268, 1998.
[10]    Haji S., Analytical modeling of PEM fuel cell ieV curve”, Renewable Energy, Vol. 36, pp. 451-458, 2011.
[11]    Dong W., Yong-jun L., Lei-min C., Electrical Characteristic Modeling and Simulation of PEMFC Based on Least-squares Parameter Estimation, 8th WSEAS Int. Conf. on Robotics, Control and Manufacturing Technology, Hangzhou, China, April 6-8, 2008.
[12]    Selyari T., Ghoreyshi A.A., Shakeri M., Najafpour G.D., Jafary T., Measurement of polarization curve and development of a unique semi-empirical model for description of PEMFC and DMFC performances, CI&CEQ 17, pp. 207-214, 2011.
[13]    Akimoto Y., Okajima K., Semi-Empirical Equation of PEMFC Considering Operation Temperature, Energy Technology & Policy, Vol. 1, pp. 91–96, 2014.
[14]    Correa J.M., Farret F.A., Canha L.N., Simoes M.G., An Electrochemical-Based Fuel-Cell Model Suitable for Electrical Engineering Automation Approach, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 51, pp. 1103-1112, 2004.
[15]    Das P.K., Li X., Liu Z.S., Analytical approach to polymer electrolyte membrane fuel cell performance and optimization, J electro analytical Chemistry, Vol. 604, pp. 72–90, 2007.
[16]    Kulikovsky A.A., The voltage–current curve of a polymer electrolyte fuel cell: ‘‘exact’’ and fitting equations, Electrochemistry Communications, Vol. 4, pp. 845–852, 2002.
[17]    Mann R. F., Amphlett J. C., Hooper M. A. I., Jensen H. M., Peppley B. A., et al, Development and application of a generalised steady-state electrochemical model for a PEM fuel cell, J Power Sources, Vol. 86, pp. 173–180, 2000.
[18]    Wang L., Liu H., Performance studies of PEM fuel cells with interdigitated flow fields, J Power Sources, Vol. 134, pp. 185–196, 2004.
[19]    Grasman S. E., Hydrogen Energy and Vehicle systems, Taylor & Francis Group, pp. 49-53, 2013.
[20]    Obut S., Alper E., Numerical assessment of dependence of polymer electrolyte membrane fuel cell performance on cathode catalyst layer parameters, J Power Sources, Vol. 196, pp. 1920–1931, 2011.