مدلسازی دینامیکی و شناسایی پارامترهای مدل پیل سوختی پلیمری هیدروژن-اکسیژن با رطوبت‌زن یکپارچه

پیل سوختی نوعی مبدل انرژی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید. ساختار غیرخطی، دینامیک متغیر با زمان و پارامترهای فیزیکی نامعین از چالش‌های کار با پیل‌های سوختی پلیمری می‌باشد. در این مقاله، مدلسازی جعبه خاکستری و شناسایی سیستم پیل سوختی پلیمری هیدروژن-اکسیژن سه سلولی انتها باز با رطوبت‌زن یکپارچه مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا، مدلسازی صفر بعدی غیرخطی سیالاتی، ترمودینامیکی و الکتروشیمیایی پیل سوختی انجام شده است. مدل پیل سوختی ارائه شده در این پژوهش از نوع چند ورودی-یک خروجی می‌باشد. در ادامه، پارامترهای ثابت پیل سوختی مورد مطالعه با استفاده از روش شناسایی پارامتر تعیین گردید. فرآیند شناسایی سیستم بر اساس کمینه‌سازی خطای پیش‌بینی، به روش ناحیه‌های صحیح انعکاسی نیوتن انجام شده است. پیل‌سوختی مورد نظر تحت شرایط مختلف دمای سری، فشار ورودی گازهای واکنش‌دهنده و جریان سری مورد آزمون قرار گرفت و 329420 داده آزمایشگاهی بدست آمده است که با توجه به شرایط آزمایش دسته‌بندی داده‌ها به 189 حالت مختلف صورت پذیرفت. نتایج نشان می‌دهد که میانگین خطای ولتاژ مدل پیل سوختی شناسایی شده در مقایسه با داده‌های آزمایشگاهی برابر با1/03 درصد می‌باشد. همچنین، همبستگی میان ولتاژ پیل‌سوختی و پارامترهای مدل‌ شناسایی شده بررسی و تحلیل شده است که نتایج نشان داد که همبستگی ولتاژ پیل‌سوختی به مقاومت تماسی معادل هدایت الکترون بیشتر از ضرایب اریفیس‌ها می‌باشد.

dynamic modeling and parameter identification of hydrogen-oxygen pem fuel cell model with integrated humidifier

fuel cell is a type of electrochemical energy converter that converts chemical energy stored in fuel into electrical energy. nonlinear structure, time-varying dynamics and uncertain physical parameters are the challenges of working with polymer electrolyte membrane (pem) fuel cells. in this paper, grey box modeling and system identification of flow-through h2/o2 pem fuel cell with three cells and integrated humidifier is investigated. first, zero-dimensional nonlinear fluidic, thermodynamic and electrochemical modeling of pem fuel cell is performed. the fuel cell model presented in this research is multi-input-single-output type. in the following, constant parameters of the studied fuel cell are determined. the system identification process as a multi-input-single-output system is done based on the prediction-error minimization, using the method of trust-region reflective newton. finally, validation of the obtained model is done with experimental data that not used in modeling. the considered pem fuel cell was tested under different conditions of temperature, reactant gas inlet pressure and stack current, and 329,420 experimental data were obtained. according to test conditions, data was classified into 189 different modes. the results show that the average voltage error of the identified model compared to the experimental data is equal to 1.03%. moreover, the correlation between voltage and identified model parameters has been investigated, and the results showed that correlation between voltage and the contact resistance equivalent is higher than coefficients of orifices.