Таҳқиқот стеки 400-ҳуҷайраи PEMFC-ро бо масоҳати фаъоли 280 cm² барои ҳар ҳуҷайра дар муҳити MATLAB-Simscape моделсозӣ карда, таъсири ҳароратҳои воридшавии 40, 50, 60 ва 70 °C-ро дар зери як давраи якхелаи сарбории динамикӣ меомӯзад. Фишори таъмини гидроген дар модел дар 70 MPa собит нигоҳ дошта шудааст. Бо боло рафтани ҳарорат, махсусан дар зичии баланди ҷараён, рафтори поляризатсия ва устувории қувва беҳтар шудааст; 70 °C баландтарин таҳаммулпазириро ба ҷараёни баланд нишон додааст. Дар айни замон сарбории гармӣ низ афзуда, ҳарорати авҷи стек аз 353 K дар ҳолати воридшавии 40 °C то 364 K дар ҳолати 70 °C боло рафтааст. Муаллифон диапазони 60–70 °C-ро ҳамчун равзанаи кории аз ҳама қобили истифода арзёбӣ намуда, 60 °C-ро ҳамчун нуқтаи мутавозинтари эҳтиёткорона байни самаранокӣ ва захираи гармӣ/гидрататсия пешниҳод мекунанд. Азбаски ин натиҷаҳо бо ҳамон стек ва ҳамон профили сарбории динамикӣ ба таври таҷрибавӣ тасдиқ нашудаанд, онҳо далели сертификатсияи тарҳи миқдорӣ ё системаи идоракунӣ нестанд.

Гузориш мешавад, ки ҳангоми сарбории динамикӣ зичии ҷараён тақрибан ба 0,95 A cm⁻², тавлиди гармӣ ба тақрибан 37–40 kW, тавлиди оби маҳсулот ба тақрибан 10 g s⁻¹ ва истеъмоли гидроген ба тақрибан 1,1 g s⁻¹ мерасад. Ҳамаи чор шароити ҳароратӣ бо гузашти вақт ба ҳарорати нимустувори стек тақрибан 353 K, яъне тақрибан 80 °C, наздик шудаанд.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Арзёбии кори PEMFC танҳо аз рӯйи қувваи максималии барқӣ кофӣ нест. Ҳарорат ҳамзамон ба кинетикаи реаксияи электродӣ, интиқоли протон, гидрататсияи мембрана, интиқоли газ, хориҷкунии оби маҳсулот ва фарсудашавии мавод таъсир мерасонад. Дар ҳароратҳои паст кинетикаи реаксия метавонад суст шавад ва ҷамъшавии об боиси обхезии электродҳо гардад; дар ҳароратҳои баландтар бошад, рафтори беҳтари кинетикӣ метавонад бо хушкшавии мембрана, афзоиши муқовимати омикӣ ва фарсудашавии тезтари мавод мувозинат шавад.

Аз ин рӯ саволи таҳқиқот ба шакли танги «кадом ҳарорат қувваи баландтарин медиҳад?» маҳдуд нашудааст. Муаллифон ҷавоби қувва, авҷи ҳарорат, тавлиди об ва истифодаи гидрогенро якҷо арзёбӣ намуда, барои системаи моделшудаи 400-ҳуҷайра кадом диапазони ҳарорати воридшавӣ амалан муносибтар аст, месанҷанд.

Чаро сарбории динамикӣ истифода шудааст?

Интизор намеравад, ки системаҳои PEMFC дар нақлиёт, манбаъҳои сайёри қувва ё барномаҳои дастгирии шабака бо ҷараёни доимӣ кор кунанд. Ҳангоми зиёд ё кам шудани сарборӣ, зичии ҷараён, шиддати стек, тавлиди гармӣ, истеъмоли гидроген ва тавлиди об низ муваққатан тағйир меёбанд. Ин рафтори динамикӣ махсусан ба тарҳи системаи хунуккунӣ, намноккунанда, системаи таъмини гидроген ва стратегияи идоракунӣ таъсир мерасонад.

Аз ин рӯ ба чор ҳолати ҳароратӣ сарбориҳои гуногун дода нашудаанд; барои то ҳадди имкон ҷудо кардани таъсири ҳарорат, дар ҳамаи ҳолатҳо як профили сарбории динамикӣ, як давомнокии симулятсия, як шароити ибтидоӣ ва як танзимоти системаи ёрирасон нигоҳ дошта шудаанд.

Модели MATLAB-Simscape кадом ҷузъҳоро дар бар мегирад?

Меъмории система дар Расми 1 танҳо аз блоки электрохимиявии PEMFC иборат нест. Дар модел манбаи гидроген, манбаи оксиген, каналҳои газии анод ва катод, намноккунандаҳои анод ва катод, зерсистемаҳои ихроҷ, роҳи рециркулятсия, системаи хунуккунӣ, маҷмӯи мембрана-электрод (MEA), массаи гармӣ, портҳои ченкунӣ ва сарбории барқӣ якҷо нишон дода шудаанд.

Ин равиш нишон медиҳад, ки таҳқиқот на танҳо ба шиддати ҳуҷайра, балки ба талаботи системаҳои ёрирасон, ки balance-of-plant номида мешаванд, низ таваҷҷуҳ мекунад. Хусусан хунуккунӣ, намноккунӣ ва таъмини гидроген бевосита қисми тафсири натиҷаҳо мебошанд.

Чаро 40 ва 50 °C ба таҳқиқот дохил карда шуданд?

Мақола қайд мекунад, ки стекҳои анъанавии PEMFC-и ҳарорати паст одатан дар диапазони тақрибан 60–80 °C кор мекунанд. Бо вуҷуди ин, шароити 40 ва 50 °C на ҳамчун нуқтаҳои «беҳтари» корӣ, балки ҳамчун шароити сарҳадии ташхисӣ нигоҳ дошта шуданд, ки ҷазои кори сард ва поёнтар аз оптимумро нишон медиҳанд. Бо ин роҳ таъсири маҳдудиятҳои кинетикӣ ва идоракунии об пеш аз расидани стек ба диапазони муқаррарии гармӣ муқоиса карда мешавад.

Модел чӣ гуна санҷида шудааст?

Таҳқиқот ба ҷойи валидатсияи таҷрибавӣ санҷиши сеқадамии мутобиқати физикиро истифода мебарад.

1. Санҷида шудааст, ки каҷи поляризатсия тартиби интизоршудаи рафторро, ки ба талафоти фаъолшавӣ, омикӣ ва интиқоли масса мувофиқ аст, нишон медиҳад.
2. Санҷида шудааст, ки ҳангоми зиёд шудани сарбории динамикӣ, бо афзоиши талаботи ҷараён шиддат паст шуда, тавлиди гармӣ, истеъмоли гидроген ва тавлиди оби маҳсулот афзоиш меёбанд.
3. Тамоюлҳои умумӣ, аз ҷумла беҳтар шудани кинетикаи реаксия ва нигоҳдории шиддат дар ҷараёни баланд ҳангоми боло рафтани ҳарорат, ба таври сифатӣ бо рафтори PEMFC, ки дар адабиёт гузориш шудааст, муқоиса шудаанд.

Ин санҷишҳо муайян мекунанд, ки натиҷаҳои модел аз ҷиҳати физикӣ қобили қабул ҳастанд ё не; аммо азбаски бо маълумоти таҷрибавии ҳамон стеки 400-ҳуҷайра ва ҳамон профили сарбории динамикӣ мувофиқкунии рақамӣ дар сатҳи хатогӣ анҷом дода нашудааст, таҳқиқот валидатсияи таҷрибавии миқдориро пешниҳод намекунад.

Каҷҳои поляризатсия чиро нишон медиҳанд?

Дар Расми 2 шиддати ҳуҷайра бо афзоиши зичии ҷараён дар ҳамаи ҳароратҳо кам мешавад. Манбаъ ин рафторро дар зичии пасти ҷараён бо талафоти фаъолшавӣ, дар минтақаи миёна бо талафоти омикӣ ва дар зичии баланди ҷараён бо маҳдудиятҳои интиқоли масса мепайвандад.

Ҳолати 40 °C дар минтақаи ҷараёни баланд заифтарин рафторро нишон додааст. Бо баланд шудани ҳарорат ба 50, 60 ва 70 °C нигоҳдории шиддат беҳтар шудааст. Дар манбаъ каҷи 70 °C ҳамчун дорои васеътарин таҳаммулпазирии ҷараёни баланд ва қавитарин рафтори зичии қувва тафсир мешавад. Бо вуҷуди ин муаллифон ин натиҷаро ба шакли «70 °C оптимуми мутлақ аст» маънидод намекунанд, зеро бо афзоиши ҳарорат фишори гармӣ ва хавфи гидрататсия аҳамияти бештар пайдо мекунанд.

Ҳарорати стек чӣ гуна тағйир ёфт?

Дар ҳамаи чор ҳолат стек пас аз режими гузариши ибтидоӣ дар давоми тақрибан 300–500 сония ба ҳарорати нимустувори тақрибан 353 K наздик мешавад. Муаллифон инро чунин шарҳ медиҳанд, ки системаи хунуккунӣ ва массаи гармии стек системаро ба ҳарорати номиналии шабеҳи корӣ мебаранд.

Аммо ҳароратҳои авҷи кӯтоҳмуддат яксон нестанд:

Фарқи ҳарорати авҷ байни шароити 40 ва 70 °C 11 K мебошад. Мақола махсус таъкид мекунад, ки қимати 364 K набояд ҳамчун максимуми воқеии маҳаллии ҳарорати ҳуҷайраҳои тақсимшуда тафсир шавад. Азбаски модел ҳарорати стекро ҳамчун тағйирёбандаи lumped, яъне ҷамъбастшудаи системавӣ мебинад, нуқтаҳои гарми маҳаллӣ, фарқияти ҳарорат байни ҳуҷайраҳо, фронти хушкшавии мембрана ё ҷамъшавии минтақавии обро ҳал намекунад.

Verianla Live: Визуализатсия аз ҷадвали намоёни маълумоти илмии ҳамин мақола дар браузер сохта мешавад. Ҷадвал ҳамчун source-of-truth-и илмӣ нигоҳ дошта мешавад.

Зичии ҷараён ва устувории шиддат

Дар ҳамаи ҳолатҳои ҳароратӣ қимати авҷи зичии ҷараёни динамикӣ тақрибан 0,95 A cm⁻² гузориш шудааст. Наздик будани қиматҳои авҷ нишон медиҳад, ки талаботи лаҳзавии ҷараён бештар аз ҳарорати воридшавӣ, аз профили умумии сарбории динамикӣ муайян мешавад.

Дар ҳароратҳои баландтар рафтори шиддат каме устувортар аст. Манбаъ инро бо кам шудани талафоти фаъолшавӣ ва омикӣ мепайвандад. Ҳамин тавр, ҳарорат на танҳо ба тавлиди энергия, балки ба идоракунии пастшавии шиддат ҳангоми гузаришҳои сарборӣ низ ҳамчун тағйирёбандаи идоракунӣ таъсир мерасонад.

Тавлиди гармӣ ва эҳтиёҷ ба хунуккунӣ

Ҳангоми сарбории динамикӣ тавлиди гармӣ низ ҳамроҳ бо ҷараён ва шиддат тағйир ёфтааст. Манбаъ барои ҳамаи шароити ҳароратӣ авҷи тавлиди гармиро тақрибан дар ҳудуди 37–40 kW нишон медиҳад. Ин натиҷа асоси он аст, ки системаи хунуккунӣ бояд на аз рӯйи сарбории миёнаи гармӣ, балки аз рӯйи талаботи кӯтоҳмуддати хориҷкунии гармии авҷ арзёбӣ шавад.

Ҳолати воридшавии 70 °C аз ҷиҳати кори барқӣ қавитарин аст, вале ҳарорати авҷи 364 K барои гидрататсияи мембрана ва устувории гармӣ маржаи бехатарии тангтар фароҳам меорад.

Чаро оби маҳсулот муҳим аст?

Дар PEMFC пайдоиши об натиҷаи табиии суръати реаксияи электрохимиявӣ мебошад; аммо идоракунии об масъалаи дуҷониба аст. Оби зиёдатӣ метавонад дар минтақаҳои электрод ҷамъ шуда, дастрасии оксигенро кам кунад, дар ҳоле ки норасоии об метавонад боиси хушкшавии мембрана ва афзоиши муқовимати интиқоли протон гардад.

Дар симулятсия тавлиди оби маҳсулот профили сарбориро пайгирӣ карда, дар давраҳои ҷараёни баланд тақрибан ба 10 g s⁻¹ расидааст; дар давраҳои сарбории паст ба ҳудуди тақрибан 0–4 g s⁻¹ наздик шудааст. Тафсири муҳандисии таҳқиқот ин аст, ки намноккунӣ ва хориҷкунии об вазифаи ёрирасони собит нест, балки бояд бо сарборӣ ба таври динамикӣ идора шавад.

Истеъмоли гидроген чӣ қадар аст?

Манбаъ хабар медиҳад, ки ҳангоми кори номиналӣ истеъмоли миёна тақрибан то 0,4 g s⁻¹ мерасад, дар ҳоле ки талаботи авҷ тақрибан ба 1,1 g s⁻¹ мерасад. Ин натиҷа бо тафсир пайваст карда шудааст, ки андозабандии хатти таъмини гидроген танҳо аз рӯйи истеъмоли миёна метавонад дар талаботи гузариши баланд боиси пастшавии фишор гардад.

Аз ин рӯ оптимизатсияи ҳароратро аз ҷараёни гидроген ҷудо баррасӣ кардан мумкин нест; муаллифон бар онанд, ки системаи идоракунӣ бояд ҳарорат, таъмини реагентҳо ва идоракунии обро якҷо ҳамоҳанг созад.

60 °C ё 70 °C?

Таҳқиқот ба ҷойи эълони як «ҳарорати оптималӣ» равзанаи кории 60–70 °C-ро пешниҳод мекунад. 70 °C шароите мебошад, ки ҷавоби ҷараёни баланд ва қувваро бештар дастгирӣ мекунад. Аммо 70 °C ҳамзамон бо 364 K баландтарин ҳарорати гузаришии стекро ба вуҷуд меорад. 60 °C бошад, дар муқоиса бо 40 ва 50 °C кори ҷараёни баландро ба таври назаррас беҳтар карда, ҳарорати авҷро дар 357 K нигоҳ медорад.

Аз ин рӯ қарори муҳандисии муаллифон чунин аст: агар қувваи баланди гузаришӣ афзалият дошта бошад ва иқтидори қавии хунуккунӣ/намноккунӣ мавҷуд бошад, 70 °C нуқтаи ҷолиби корӣ аст; агар устуворӣ ва маржаи идоракунӣ афзалият дошта бошад, 60 °C интихоби эҳтиёткоронатар аст.

Мушкилоти муҳими барчаспгузорӣ дар графикҳои манбаъ

Ҳангоми тафсири натиҷаҳои миқдории манбаъ як номувофиқии муҳими дохилии нашр вуҷуд дорад. Гарчанде шарҳи Расми 3 ҷавоби ҳароратиро ифода мекунад, дар графикҳои намоён барчаспҳои “Cell 1–4” ва “Efficiency (%)” ҳастанд. Дар Расмҳои 6 ва 7 бошад, дар ҳоле ки мутаносибан тавлиди об ва истеъмоли гидроген шарҳ дода мешаванд, меҳвари амудӣ ҳамчун “Power (W)” намоён аст. Аз ин рӯ дар баёни Verianla аз ин графикҳо қиматҳои нави миқдорӣ хонда нашуда, матн ва Ҷадвали 2 асос гирифта шудаанд.

Аҳамияти эҳтимолӣ барои Туркия

Таҳқиқот ба модели MATLAB-Simscape, ки дар Малайзия таҳия шудааст, асос меёбад ва дар стеки мушаххаси ҳуҷайраи сӯзишворӣ ё инфрасохтори гидрогении Туркия санҷида нашудааст. Бо вуҷуди ин, метод метавонад барои корҳои системаҳои ҳуҷайраи сӯзишворӣ, мобилити гидрогенӣ, энергияи тақсимшуда ё таҳқиқоти сатҳи донишгоҳӣ оид ба идоракунӣ ва системаҳои энергетикӣ дар Туркия ҳамчун чаҳорчӯбаи омӯзишии моделсозӣ барои баррасии ҳамкории ҳарорат–қувва–об–гидроген дар сатҳи система хизмат кунад. Барои татбиқи воқеӣ бошад, валидатсияи маҳаллии таҷрибавӣ бо маълумоти поляризатсияи стеки физикии мушаххас, ченкуниҳои EIS, тақсимоти ҳарорат, ҷараёни гидроген ва тавозуни об зарур аст.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Дар дохили модел боло бурдани ҳарорати воридшавӣ аз 40 то 70 °C ҷавоби поляризатсияро дар ҷараёни баланд беҳтар мекунад.
• Диапазони 60–70 °C барои системаи моделшуда аз ҳама муфидтарин доираи мувозинати кор/гармӣ мебошад.
• 70 °C қавитарин ҷавоби ҷараёни баланд ва қувваро медиҳад.
• 60 °C нуқтаи кории эҳтиёткорона буда, маржаи васеътари гармӣ ва гидрататсияро таъмин мекунад.
• Иқтидори хунуккунии динамикӣ, намноккунӣ ва таъмини гидроген бояд бо дарназардошти сарбориҳои авҷ тарҳрезӣ шавад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Қиматҳои мутлақи кори аз ҷиҳати таҷрибавӣ тасдиқшуда дар ҳамон стеки физикии 400-ҳуҷайраи PEMFC.
• Ин ки 364 K максимуми воқеии маҳаллии ҳар як ҳуҷайра аст.
• Пиршавии дарозмуддати катализатор ё деградацияи химиявии мембрана.
• Тақсимоти байни ҳуҷайраҳо ва нуқтаҳои гарми маҳаллӣ.
• Таъсири таҳаммулпазирии истеҳсолӣ, номуайянии сенсор ва фишори механикӣ.
• Ин ки 60 ё 70 °C барои ҳамаи системаҳои PEMFC оптимуми универсалӣ аст.
• Валидатсияи таҷрибавии кофӣ барои сертификатсияи системаи идоракунӣ ё андозабандии мутлақи ҷузъҳо.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Чор озмоиши ҳароратии назоратшаванда

Фарқи асосии версияи маҷалла аз модели пешинаи рисола дар муайян кардани маҷмӯи нави муодилаҳои электрохимиявӣ нест. Муаллифон рӯшан мегӯянд, ки меъмории мавҷудаи стекро ба скани бештар ҳадафманди ҳарорати динамикӣ табдил додаанд. Чор шароити ҳароратӣ дар зери вурудҳои якхелаи динамикӣ муқоиса шуда, баромадҳои электрохимиявӣ ва системаҳои ёрирасон дар як чаҳорчӯбаи ягонаи қарор муттаҳид шудаанд.

Тағйирёбандаҳои сабтшуда

• Шиддати стек/ҳуҷайра
• Зичии ҷараён
• Қувваи барқӣ
• Ҳарорати стек
• Гармии тавлидшуда ё хориҷшуда
• Тавлиди оби маҳсулот
• Истеъмоли гидроген

Каҷҳои поляризатсия ва зичии қувва барои арзёбии ҷавоби электрохимиявӣ; баромадҳои домени вақт бошанд барои арзёбии устувории гузаришӣ, сарбории хунуккунӣ, идоракунии об ва талаботи таъмини реагентҳо истифода шудаанд.

Маҳдудиятҳои методологии модел

Модел ҳарорати ҷамъбастшудаи стек ва параметрҳои қаблан таъиншудаи ҷузъҳоро истифода мебарад. Нуқтаҳои гарми маҳаллӣ, фарқияти ҳарорат байни ҳуҷайраҳо, фронтҳои хушкшавии мембрана ва ҷамъшавии фазоии об ҳал намешаванд. Пиршавии дарозмуддати катализатор, деградацияи химиявии мембрана, фишори механикӣ, тағйирёбии истеҳсолӣ, номуайянии сенсор ва тақсимоти ҷараён байни ҳуҷайраҳо низ ошкоро моделсозӣ нашудаанд.

Фишори гидроген ва параметрҳои системаҳои ёрирасон қиматҳои дар стеки мушаххаси физикӣ таҷрибавӣ калибршуда нестанд, балки вурудҳои модел мебошанд. Аз ин рӯ тамоюли муқоисавии ҳарорат натиҷаи асосии қавии таҳқиқот аст; на андозабандии мутлақи ҷузъҳо ё пешгӯии муҳлати хизмат.

Қадамҳои валидатсияи оянда

Муаллифон пешниҳод мекунанд, ки дар оянда модел бо каҷҳои поляризатсия, спектроскопияи импеданси электрохимиявӣ, ченкуниҳои тақсимшудаи ҳарорати стек, маълумоти ҷараёни гидроген ва тавозуни об, ки дар ҳамон давраи сарбории гузаришӣ гирифта шудаанд, валидатсия карда шавад. Ҳамчунин таъсирҳои фазоии ҳарорат/гидрататсия, зерсистемаҳои деградация ва идоракунии ҳалқаи бастаи хунуккунӣ, намноккунӣ ва таъмини гидроген бояд ба модел илова шаванд.

Ёддошти манбаъ ва усул

Сарлавҳаи пурраи аслӣ: DYNAMIC TEMPERATURE-DEPENDENT SIMULATION OF A 400-CELL PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL STACK USING MATLAB-SIMSCAPE

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

Муаллифи масъул: Sahriah Basri

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

Маҷалла: Malaysian Journal of Energy and Applications

Ҷилд: 1 (2026)

DOI: 10.17576/myjea.2026.01.71

Пешниҳод: 2 июли 2026

Бознигарӣ: 16 июли 2026

Қабул: 16 июли 2026

Дастрасии онлайн: 20 июли 2026

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

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

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

Саҳми муаллифон: Ҳар ду муаллиф саҳми баробар дар ҳамаи марҳилаҳои таҳқиқот ва мақола гузоштанашонро изҳор кардаанд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор мекунанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Дастрасии маълумот: Гуфта шудааст, ки маълумоти симулятсия, ки аз модели MATLAB-Simscape тавлид шудааст, бо дархости асоснок пешниҳод карда мешавад.

Мазмуни илмӣ ба шарҳи худи модели кори боршуда, Ҷадвалҳои 1–2 ва Расмҳои 1–7 асос ёфтааст. Азбаски дар таҳқиқот маҷмӯи равшани муодилаҳои идоракунандаи PEMFC пешниҳод нашудааст, муодилаҳои электрохимиявии берун аз манбаъ илова нашудаанд. Модел танҳо дар сатҳи мутобиқати физикӣ ва тамоюлҳои адабиёт арзёбӣ шудааст; барои ҳамон системаи 400-ҳуҷайра валидатсияи таҷрибавии мувофиқ мавҷуд нест. Аз ин рӯ натиҷаҳо барои таҳлили тамоюлҳои муқоисавӣ ва интихоби равзанаи ибтидоии корӣ мувофиқанд; онҳо набояд ҳамчун сертификатсияи кори мутлақ, андозабандии ҷузъҳо ё пешгӯии муҳлати хизмат тафсир шаванд.

Дар манбаъ инчунин номувофиқиҳои барчаспгузории визуалӣ мавҷуданд: махсусан мундариҷаи намоёни Расми 3 бо шарҳи он мувофиқат намекунад; дар графикҳои об ва гидроген меҳвари амудӣ ҳамчун “Power (W)” нишон дода шудааст. Ин номувофиқиҳо хомӯшона ислоҳ нашудаанд; қиматҳои возеҳи матнӣ ва ҷадвалии мақола асос гирифта шудаанд.