آنالیز مودال عددی و آزمایشگاهی پیل‌سوختی 400 وات

پیل سوختی 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 پیل سوختی تقریباً 4% تغییر می‌بابد. حذف صفحات غشا علاوه بر کاهش تعداد المان‌های مدل منجر به کاهش قیود تماس نیز می‌گردد، به طوری که در پیل سوختی مورد نظر هزینه محاسباتی با حذف صفحات غشا در مدل عددی 17% کاهش یافته است.

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

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 400Watt 4cells 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.