Изилдөө ар бир уячага 280 cm² активдүү аянт туура келген 400 уячалуу PEMFC стекти MATLAB-Simscape чөйрөсүндө моделдеп, 40, 50, 60 жана 70 °C кириш температураларынын бир эле динамикалык жүк цикли алдындагы таасирин изилдейт. Моделде суутек берүү басымы 70 MPa деңгээлинде туруктуу кармалган. Температура жогорулаган сайын, айрыкча жогорку ток тыгыздыгында поляризациялык жүрүм-турум жана кубаттын туруктуулугу жакшырган; 70 °C жогорку токко эң күчтүү чыдамдуулукту көрсөткөн. Ошол эле учурда жылуулук жүгү да жогорулап, стек температурасынын чокусу 40 °C кириш шартындагы 353 Kден 70 °C шартында 364 Kге чейин өскөн. Авторлор 60–70 °C аралыгын эң колдонууга ылайыктуу иштөө терезеси катары баалап, 60 °Cни өндүрүмдүүлүк менен жылуулук/гидратация корунун ортосундагы этият баланс чекити катары сунушташат. Бул жыйынтыктар ошол эле стек жана ошол эле динамикалык жүк профили менен эксперименттик түрдө ырасталбагандыктан, сандык долбоорлоо же башкаруу системасын сертификациялоо үчүн далил болуп эсептелбейт.

Динамикалык жүктөө учурунда ток тыгыздыгы болжол менен 0,95 A cm⁻²ге, жылуулук өндүрүшү болжол менен 37–40 kWга, продукт суу түзүлүшү болжол менен 10 g s⁻¹ге жана суутек керектөөсү болжол менен 1,1 g s⁻¹ге жеткени кабарланат. Төрт температуралык шарттын баары убакыт өткөн сайын болжол менен 353 K, башкача айтканда 80 °Cге жакын жарым-туруктуу стек температурасына жакындаган.

Изилдөөнүн негизги суроосу кандай?

PEMFC өндүрүмдүүлүгүн эң жогорку электр кубаты менен гана баалоо жетишсиз. Температура электроддук реакция кинетикасына, протон ташууга, мембрананын гидратациясына, газ ташууга, продукт сууну чыгарууга жана материалдын деградациясына бир убакта таасир этет. Төмөн температураларда реакция кинетикасы жайлап, суунун топтолушу электроддордо суу каптоого алып келиши мүмкүн; жогорку температураларда болсо жакшыраак кинетикалык жүрүм-турум мембрананын кургап кетиши, омикалык каршылыктын өсүшү жана материалдардын тезирээк эскириши менен тең салмактандырылышы мүмкүн.

Ошондуктан иштин суроосу “эң жогорку кубатты кайсы температура берет?” деген тар формада коюлган эмес. Авторлор кубаттын жооп кайтаруусун, температуранын чокусун, суу өндүрүшүн жана суутекти пайдаланууну бирге баалап, моделденген 400 уячалуу система үчүн кайсы кириш температура аралыгы практикалык жактан көбүрөөк ылайыктуу экенин изилдешет.

Эмне үчүн динамикалык жүк колдонулган?

PEMFC системалары автоунаа, көчмө кубат же электр тармагын колдоо колдонмолорунда туруктуу ток менен иштейт деп күтүлбөйт. Жүк көбөйүп же азайганда ток тыгыздыгы, стек чыңалуусу, жылуулук өндүрүшү, суутек керектөөсү жана суу пайда болушу да убактылуу өзгөрөт. Бул динамикалык жүрүм-турум өзгөчө муздатуу системасынын, нымдагычтын, суутек берүү системасынын жана башкаруу стратегиясынын долбооруна таасир этет.

Ошондуктан төрт температуралык шартка ар башка жүктөр берилген эмес; температуранын таасирин мүмкүн болушунча өзүнчө бөлүп көрсөтүү үчүн бардык шарттарда бирдей динамикалык жүк профили, бирдей симуляция убактысы, бирдей баштапкы шарттар жана бирдей көмөкчү система жөндөөлөрү сакталган.

MATLAB-Simscape модели кайсы компоненттерди камтыйт?

1-сүрөттөгү система архитектурасы PEMFCнин электрохимиялык блогунан гана турбайт. Моделде суутек булагы, кычкылтек булагы, анод жана катод газ каналдары, анод жана катод нымдагычтары, чыгаруу подсистемалары, рециркуляция жолу, муздатуу системасы, мембрана-электрод түйүнү (MEA), жылуулук массасы, өлчөө порттору жана электр жүгү бирге көрсөтүлгөн.

Бул ыкма изилдөөнүн уяча чыңалуусуна гана эмес, balance-of-plant деп аталган көмөкчү система талаптарына да көңүл бурганын көрсөтөт. Айрыкча муздатуу, нымдоо жана суутек менен камсыздоо жыйынтыктарды чечмелөөнүн түздөн-түз бөлүгү болуп саналат.

40 жана 50 °C эмне үчүн изилдөөгө киргизилген?

Макала салттуу төмөн температуралуу PEMFC стектери болжол менен 60–80 °C аралыгында иштетилерин белгилейт. Ошого карабастан 40 жана 50 °C шарттары “жакшыраак” иштөө чекиттери катары эмес, муздак жана оптимумдан төмөн иштөөнүн жоготууларын көрүнүктүү кылган диагностикалык чек ара шарттары катары сакталган. Ошентип стек кадимки жылуулук диапазонуна жете электе кинетикалык жана суу башкаруу чектөөлөрүнүн таасирин салыштырууга болот.

Модель кантип текшерилген?

Изилдөө эксперименттик валидациянын ордуна үч баскычтуу физикалык ырааттуулук текшерүүсүн колдонот.

1. Поляризация ийри сызыгы активдешүү, омикалык жана масса ташуу жоготууларына туура келген күтүлгөн жүрүм-турум тартибин көрсөтөрү текшерилген.
2. Динамикалык жүк өскөндө ток талабынын өсүшү менен чыңалуунун төмөндөшү, жылуулук өндүрүшүнүн, суутек керектөөсүнүн жана продукт суу түзүлүшүнүн көбөйүшү сыяктуу өзгөрмөлөр аралык физикалык байланыш текшерилген.
3. Температура көтөрүлгөндө реакция кинетикасынын жана жогорку токтогу чыңалууну кармоонун жакшыршы сыяктуу жалпы тенденциялар адабиятта кабарланган PEMFC жүрүм-туруму менен сапаттык түрдө салыштырылган.

Бул текшерүүлөр модель жыйынтыктарынын физикалык жактан негиздүү экенин баалайт; бирок ошол эле 400 уячалуу стек жана ошол эле динамикалык жүк профилинин эксперименттик маалыматтары менен сандык ката деңгээлинде дал келтирүү жүргүзүлбөгөндүктөн, изилдөө сандык эксперименттик валидацияны сунуштабайт.

Поляризация ийри сызыктары эмнени көрсөтөт?

2-сүрөттө уяча чыңалуусу ток тыгыздыгы көбөйгөн сайын бардык температураларда төмөндөйт. Булак бул жүрүм-турумду төмөн ток тыгыздыгында активдешүү жоготуулары, орто зонада омикалык жоготуулар жана жогорку ток тыгыздыгында масса ташуу чектөөлөрү менен байланыштырат.

40 °C шарты жогорку ток аймагында эң начар жүрүм-турумду көрсөткөн. Температура 50, 60 жана 70 °Cге көтөрүлгөн сайын чыңалууну кармоо жакшырган. Булакта 70 °C ийри сызыгы эң кең жогорку-ток чыдамдуулугуна жана эң күчтүү кубат тыгыздыгы жүрүм-турумуна ээ деп чечмеленет. Ошол эле учурда авторлор муну “70 °C абсолюттук оптимум” деп чечмелешпейт, анткени температура өскөн сайын жылуулук стресси жана гидратация тобокелдиги маанилүү боло баштайт.

Стек температурасы кандай өзгөргөн?

Төрт шартта тең стек алгачкы өтмө режимден кийин болжол менен 300–500 секунд ичинде 353 K тегерегиндеги жарым-туруктуу температурага жакындаган. Авторлор муну муздатуу системасы менен стектин жылуулук массасы системаны окшош номиналдуу иштөө температурасына багыттаганы менен түшүндүрүшөт.

Бирок кыска мөөнөттүү чоку температуралар бирдей эмес:

40 жана 70 °C шарттарынын ортосундагы чоку температуранын айырмасы 11 K. Макала 364 K маанисин бөлүштүрүлгөн уяча температурасынын чыныгы жергиликтүү максимуму катары чечмелөөгө болбой турганын өзгөчө белгилейт. Модель стек температурасын lumped, башкача айтканда топтолгон системалык өзгөрмө катары карагандыктан, жергиликтүү ысык чекиттерди, уячалар аралык температура айырмаларын, мембрананын кургоо фронтун же регионалдык суу топтолушун чечпейт.

Verianla Live: Визуалдаштыруу бул макаладагы көрүнүп турган илимий маалымат таблицасынан браузерде түзүлөт. Таблица илимий source-of-truth катары сакталат.

Ток тыгыздыгы жана чыңалуу туруктуулугу

Бардык температуралык шарттарда динамикалык ток тыгыздыгынын чоку мааниси болжол менен 0,95 A cm⁻² деп кабарланган. Чоку маанилеринин бири-бирине жакын болушу көз ирмемдик ток талабы кириш температурасынан көрө жалпы динамикалык жүк профили тарабынан көбүрөөк аныкталарын көрсөтөт.

Ал эми жогорку температураларда чыңалуунун жүрүм-туруму бир аз туруктуураак. Булак муну активдешүү жана омикалык жоготуулардын азайышы менен байланыштырат. Ошентип температура энергия өндүрүшүнө гана эмес, жүк өтүүлөрүндөгү чыңалуу төмөндөшүн башкарууга да таасир эткен башкаруу өзгөрмөсү болуп калат.

Жылуулук өндүрүшү жана муздатуу муктаждыгы

Динамикалык жүктөө учурунда жылуулук өндүрүшү да ток жана чыңалуу менен кошо өзгөргөн. Булак бардык температуралык шарттарда чоку жылуулук өндүрүшүн болжол менен 37–40 kW аралыгында берет. Бул жыйынтык муздатуу системасы орточо жылуулук жүгүнө эмес, кыска мөөнөттүү чоку жылуулукту чыгаруу талабына карап бааланышы керек деген негизги аргумент болуп саналат.

70 °C кириш шарты электрдик өндүрүмдүүлүк боюнча эң күчтүү болгонуна карабастан, 364 K чоку температурасы мембрананын гидратациясы жана жылуулук туруктуулугу боюнча тар коопсуздук корун берет.

Продукт суу эмне үчүн маанилүү?

PEMFCде суу түзүлүшү электрохимиялык реакция ылдамдыгынын табигый натыйжасы; бирок сууну башкаруу эки тараптуу маселе. Ашыкча суу электрод зоналарында топтолуп, кычкылтектин жетишин азайтышы мүмкүн, ал эми суунун жетишсиздиги мембрананын кургап, протон ташуу каршылыгынын жогорулашына алып келиши мүмкүн.

Симуляцияда продукт суунун түзүлүшү жүк профилин ээрчип, жогорку ток мезгилдеринде болжол менен 10 g s⁻¹ге жеткен; төмөн жүк мезгилдеринде болжол менен 0–4 g s⁻¹ диапазонуна жакындаган. Изилдөөнүн инженердик чечмелөөсү нымдоо менен сууну чыгаруу туруктуу көмөкчү функция эмес, жүккө жараша динамикалык башкарылууга тийиш болгон система экенин көрсөтөт.

Суутек керектөөсү канча?

Булак номиналдуу иштөө учурунда орточо керектөө болжол менен 0,4 g s⁻¹ге чейин өсөрүн, ал эми чоку талап болжол менен 1,1 g s⁻¹ге жетерин билдирет. Бул жыйынтык суутек берүү линиясы орточо керектөөгө гана ылайык өлчөмдөнсө, өтмө жогорку суроо-талапта басымдын төмөндөшүн жаратышы мүмкүн деген чечмелөөгө байланышкан.

Ошондуктан температураны оптималдаштыруу суутек агымынан өзүнчө каралбашы керек; авторлор башкаруу системасы температураны, реагент берүүнү жана суу башкарууну биргелешип координациялашы керек деп эсептешет.

60 °Cби же 70 °Cби?

Изилдөө бир эле “оптималдуу температураны” жарыялабай, 60–70 °C иштөө терезесин сунуштайт. 70 °C жогорку ток жана кубат жооп кайтаруусун эң көп колдогон шарт. Бирок 70 °C ошол эле учурда 364 K менен эң жогорку өтмө стек температурасын түзөт. 60 °C болсо 40 жана 50 °Cге салыштырмалуу жогорку токтогу өндүрүмдүүлүктү кыйла жакшыртып, чоку температураны 357 Kде кармайт.

Ошондуктан авторлордун инженердик чечими мындай: эгер жогорку өтмө кубат артыкчылыктуу болсо жана күчтүү муздатуу/нымдоо мүмкүнчүлүгү бар болсо, 70 °C жагымдуу иштөө чекити; ал эми узак мөөнөттүүлүк жана башкаруу кору артыкчылыктуу болсо, 60 °C этият тандоо болуп саналат.

Булактагы графиктердин маанилүү энбелги көйгөйлөрү

Булактын сандык жыйынтыктарын чечмелөөдө басылманын ичиндеги маанилүү ыраатсыздык бар. 3-сүрөттүн түшүндүрмөсү температуранын жооп кайтаруусун сүрөттөгөнүнө карабастан, көрүнгөн графиктерде “Cell 1–4” жана “Efficiency (%)” деген энбелгилер бар. 6 жана 7-сүрөттөрдө болсо тиешелүүлүгүнө жараша суу өндүрүшү жана суутек керектөөсү жөнүндө айтылганы менен тик огу “Power (W)” деп көрсөтүлгөн. Ошондуктан Verianla баянында бул графиктерден жаңы сандык маанилер окулбай, текст жана Таблица 2 негиз катары алынган.

Түркия үчүн мүмкүн болгон мааниси

Изилдөө Малайзияда иштелип чыккан MATLAB-Simscape моделине негизделген жана Түркиядагы конкреттүү күйүүчү май уячасынын стекти же суутек инфраструктурасы боюнча текшерилген эмес. Ошентсе да метод Түркияда күйүүчү май уячасы системалары, суутек мобилдүүлүгү, бөлүштүрүлгөн энергия же университеттик деңгээлдеги башкаруу жана энергия системалары боюнча иштерде температура–кубат–суу–суутек өз ара аракетин системалык деңгээлде изилдөө үчүн үйрөтүүчү моделдөө алкагын сунуштай алат. Реалдуу колдонуу үчүн болсо конкреттүү физикалык стектин поляризация маалыматтары, EIS өлчөөлөрү, температуранын бөлүштүрүлүшү, суутек агымы жана суу балансы менен жергиликтүү эксперименттик валидация керек.

Изилдөө эмнени колдойт?

• Модель ичинде кириш температурасынын 40тан 70 °Cге көтөрүлүшү жогорку токтогу поляризациялык жоопту жакшыртат.
• 60–70 °C диапазону моделденген система үчүн өндүрүмдүүлүк/жылуулук балансында эң колдонууга ылайыктуу аралык.
• 70 °C эң күчтүү жогорку-ток жана кубат жооп кайтаруусун берет.
• 60 °C кеңирээк жылуулук жана гидратация корун берген этият иштөө чекити.
• Динамикалык муздатуу, нымдоо жана суутек берүү мүмкүнчүлүгү чоку жүктөрдү эске алуу менен долбоорлонууга тийиш.

Изилдөө эмнени далилдебейт?

• Ошол эле 400 уячалуу физикалык PEMFC стек боюнча эксперименттик ырасталган абсолюттук өндүрүмдүүлүк маанилерин.
• 364 K ар бир уячадагы реалдуу жергиликтүү максималдуу температура экенин.
• Узак мөөнөттүү катализатордун эскиришин же мембрананын химиялык деградациясын.
• Уячадан уячага бөлүштүрүлүштү жана жергиликтүү ысык чекиттерди.
• Өндүрүш толеранттуулугун, сенсор белгисиздигин жана механикалык чыңалуунун таасирин.
• 60 же 70 °C бардык PEMFC системалары үчүн универсалдуу оптимум экенин.
• Башкаруу системасын сертификациялоо же абсолюттук компонент өлчөмдөө үчүн жетиштүү эксперименттик валидацияны.

Изилдөөнүн ыкмасы жана жыйынтыктары

Көзөмөлдөнгөн төрт температуралык сыноо

Журналдык версиянын мурдагы диссертация моделинен негизги айырмасы жаңы электрохимиялык теңдемелер топтомун аныктоодо эмес. Авторлор азыркы стек архитектурасын максаттуураак динамикалык температура сканына айлантканын ачык айтышат. Төрт температуралык шарт бирдей динамикалык киргизүүлөрдө салыштырылып, электрохимиялык жана көмөкчү системанын чыгыштары бирдиктүү чечим алкагында бириктирилген.

Катталган өзгөрмөлөр

• Стек/уяча чыңалуусу
• Ток тыгыздыгы
• Электр кубаты
• Стек температурасы
• Өндүрүлгөн же чыгарылган жылуулук
• Продукт суу түзүлүшү
• Суутек керектөөсү

Поляризация жана кубат тыгыздыгы ийри сызыктары электрохимиялык жоопту; убакыт домениндеги чыгыштар болсо өтмө туруктуулукту, муздатуу жүгүн, суу башкарууну жана реагент берүү талабын баалоо үчүн колдонулган.

Моделдин методологиялык чектөөлөрү

Модель топтолгон стек температурасын жана алдын ала аныкталган компонент параметрлерин колдонот. Жергиликтүү ысык чекиттер, уячадан уячага температура айырмалары, мембрананын кургоо фронттору жана мейкиндиктик суу топтолушу чечилбейт. Узак мөөнөттүү катализатордун эскириши, мембрананын химиялык деградациясы, механикалык чыңалуу, өндүрүш өзгөрмөлүүлүгү, сенсор белгисиздиги жана уячалар аралык агым бөлүштүрүлүшү да ачык моделденген эмес.

Суутек басымы жана көмөкчү система параметрлери белгилүү бир физикалык стек боюнча эксперименттик калибрленген маанилер эмес, модель киргизүүлөрү. Ошондуктан салыштырмалуу температура тенденциясы изилдөөнүн негизги күчтүү жыйынтыгы болуп саналат; абсолюттук компонент өлчөмдөө же иш мөөнөтүн божомолдоо эмес.

Келечектеги валидация кадамдары

Авторлор келечекте моделди ошол эле өтмө жүк циклинде алынган поляризация ийри сызыктары, электрохимиялык импеданс спектроскопиясы, бөлүштүрүлгөн стек температура өлчөөлөрү, суутек агымы жана суу балансы маалыматтары менен валидациялоону сунушташат. Ошондой эле мейкиндиктик температура/гидратация таасирлери, деградация подсистемалары жана муздатуу, нымдоо менен суутек берүүнүн жабык контурдуу башкаруусу моделге кошулууга тийиш.

Булак жана ыкма жөнүндө эскертүү

Толук түпнуска аталышы: DYNAMIC TEMPERATURE-DEPENDENT SIMULATION OF A 400-CELL PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL STACK USING MATLAB-SIMSCAPE

Авторлор: Wan Ahmad Saffuan bin Wan Mohamed Salleh; Sahriah Basri

Жооптуу автор: Sahriah Basri

Мекеме: Fuel Cell Institute, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 Bangi, Selangor, Malaysia

Журнал: Malaysian Journal of Energy and Applications

Том: 1 (2026)

DOI: 10.17576/myjea.2026.01.71

Тапшыруу: 2-июль 2026

Ревизия: 16-июль 2026

Кабыл алуу: 16-июль 2026

Онлайн жеткиликтүүлүк: 20-июль 2026

Жарыялоочу: Institut Sel Fuel (SELFUEL), Universiti Kebangsaan Malaysia

Лицензия: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Каржылоо: Ministry of Higher Education — HiCoE (SELFUEL): HiCoE-2023-001; Universiti Kebangsaan Malaysia — UKM-TR 2024-17.

Авторлордун салымы: Эки автор изилдөөнүн жана макаланын бардык баскычтарына тең салым кошконун билдиришкен.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришет.

Маалыматтын жеткиликтүүлүгү: MATLAB-Simscape моделинен алынган симуляция маалыматтары негиздүү өтүнүч боюнча берилиши мүмкүн экени айтылган.

Илимий мазмун жүктөлгөн эмгектин өзүнүн модель түшүндүрмөсүнө, Таблица 1–2 жана Сүрөт 1–7ге негизделет. Изилдөөдө ачык PEMFC башкаруучу теңдемелер топтому берилбегендиктен, булактан тышкары электрохимиялык теңдемелер кошулган эмес. Модель физикалык ырааттуулук жана адабияттык тенденциялар деңгээлинде гана бааланган; ошол эле 400 уячалуу система үчүн дал келтирилген эксперименттик валидация жок. Ошондуктан жыйынтыктар салыштырмалуу тенденция талдоосу жана алдын ала иштөө терезесин тандоо үчүн ылайыктуу; абсолюттук өндүрүмдүүлүк сертификациясы, компонент өлчөмдөө же иш мөөнөтүн божомолдоо катары чечмеленбеши керек.

Булакта ошондой эле визуалдык энбелгилөө ыраатсыздыктары бар: айрыкча 3-сүрөттүн көрүнгөн мазмуну түшүндүрмөсү менен дал келбейт; суу жана суутек графиктеринде тик огу “Power (W)” деп көрсөтүлгөн. Бул ыраатсыздыктар унчукпай оңдолгон эмес; макаладагы ачык тексттик жана таблицалык маанилер негиз катары алынган.