بخشی از مقاله
چکیده
پیل سوختی وسیلهای است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.گاز هیدروژن به دلیل تمایل واکنش دهندگی بالا، فراوانی و عدم آلایندگی محیط زیست، به عنوان سوخت ایده آل در پیل سوختی مورد استفاده قرار میگیرد. در این مقاله برای رسیدن به این هدف مدل یک بعدی برای پیل سوختی بر پایه قوانین فیزیکی حاکم بر آن، ارائه شده است. این مدل شامل اثرات گذرای اینرسی و جریان کمپرسور، پر شدن مجاری - برای هر دو بخش کاتد و آند - ، فشار جزئی واکنش دهنده-ها و رطوبت غشا میباشد.
الکترود کاتد نیز مشابه الکترود آند شامل لایه نفوذ گاز و لایه کاتالیستی که بر روی آن بارگذاری میشود است. بر روی سطح الکترود کاتد، الکترون بازگشتی از مدار خارجی با یون عبوری از لایه الکترولیت و اکسید کننده ترکیب و آب تشکیل میشود. چهار راهکار کنترلیبرای مقابله با تشکیل آب مایع در کاتد پیشنهاد شده که با توجه به نتایج حاصل از شبیهسازی افزایش سطح مقطع گلوگاه کاتد بهعنوان بهترین روش برای مقابله با مشکل تشکیل آب مایع در کاتد پیشنهاد شده است.
برای دست یابی به بازدهی بالا در جریانهای مختلف، سیستم کنترلی باید مقدار هوا را در مقدار بهینه آن تنظیم نماید که سیستمهای کنترلی مورد استفاده عبارتند از: کنترلر های کلاسیک - PI, PD,PID - با روش های مختلف از قبیل فضای حالت، تحلیل فرکانسی، .LQR آهنگ افت توان بواسطه تغییر دبی هیدروژن برای مقابله با تشکیل آب مایع در کاتد به طور متوسط 74 درصد بیشتر از آهنگ افت توان بواسطه تغییر سطح مقطع گلوگاه می-باشد.
-1 مقدمه
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند و از الکترولیت، الکترود آند و الکترود کاتد تشکیل شده است. آنها میتوانند مکمل موتورهای احتراق داخلی باشند و وابستگی به انرژی فسیلی را کاهش دهند.
سیستمهای پیل سوختی توسط شرکتهای زیادی مورد توجه بوده و مورد مطالعه قرار گرفته است که در میان آنها پیل سوختی غشا پلیمری - 1با نام پیل سوختی غشا تبادل یونی2 نیز شناخته میشود - تنها نوع پیل سوختی است که برای مصرف در صنعت حمل و نقل مناسب است که باعث شده در گذر زمان از پیشرفتهایی برای استفاده در خودرو برخوردار شود. پیل سوختی نوع PEM دارای چگالی توان بالا، الکترولیت جامد، شروع به کار سریع، عمر بالا و خورندگی پایین میباشد
اگر از آنها به عنوان واحد تولید الکتریسیته برای تامین نیروی محرکه در خودروهای الکتریکی استفاده شود آنها دارایبازدهی بیشتری در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی میباشند.در بارهای جزئی که مطابق با سیکل حرکتی در داخل شهر و اتوبان میباشد پیل سوختی دارای بازدهی بیشتری میباشد.
برای رقابت با موتورهای احتراق داخلی پیل سوختی حداقل باید عملکردی در حد موتورهای احتراق داخلی، مرسوم داشته باشد. برای موفقیت پیل سوختی، رفتار گذرای آن، پارامتری مهم می-باشد. پاسخ به توان مورد نیاز توسط پیل سوختی فقط با ورودی هیدروژن و هوا - تنظیم دبی و فشار - و مدیریت آب و حرارت محدود میشود.اگر از پیل سوختی جریان گرفته شود، در پیل سوختی آب و حرارت تولید شده و از طرفی اکسیژن و هیدروژندر پیل، مصرف شده و در طی این فرآیند گذرا، سیستم کنترلی مربوط به تامین واکنشدهندههای پیل سوختی، باید دما، رطوبت الکترولیت و فشار واکنش دهندهها را در حالت بهینه نگه دارد تا از افت ولتاژ خروجی استک که افت بازدهی را در پی خواهد داشت جلوگیری کرده و کنترل نماید.
مدل دینامیکی تهیه شده برای این منظور باید توانایی شناسایی اثرات متقابل بین زیر سیستمها و همچنین محدودیتهای کنترلی موجود در کل مجموعه را دارا باشد. برای رسیدن به بازدهی و طول عمر بالا در استک پیل سوختی، زیر سیستم فراهم کننده گازهای واکنش دهنده و آب و حرارت نیاز دارند تا در طول عملکرد گذرا و پایدار پیل به خوبی کنترل شوند. طی عملکرد گذرا فراهم ساختن گشتاور با عملکرد بهینه که قابلیت اطمینان و بازدهی لازم را داشته باشد بسیار مهم میباشد.
یانگ و دیگرانچالشهای کنترلی و روشهای مورد استفاده در پیلهای مورد استفاده در خودرو را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده اند. مسائل کنترلی مختلف کار شده و مورد بحث قرار گرفته است. کالهامررابطه بین زیر سیستم ها، توازن بین آنها و کنترل مورد نیاز هر زیرسیستم را بررسی کرده است،هیدروژن ساده ترین سوخت جهت استفاده در خودروهای پیل سوختی میباشد و موجب افزایش راندمانو سادگی خودروهای پیل سوختی میگردد.
چالش های پیش رو برای مدیریت حرارتی پیل سوختی و همچنین تاثیرات متقابل سیستم مدیریت حرارت بر روی عملکرد پیل سوختیتوسط فرانک مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. بدریناراینن تاثیرات مدیریت آب و حرارت بر روی کارکرد پیل سوختی در هر دو حالت گذرا و مانا را مورد مطالعه قرار داده است. همچنین آب را به صورت دو فازی - مایع و بخار - فرض نموده و از دماهای اشباع متفاوت آند برای شناسایی اثر دما بر روی عملکرد پیل سوختی استفاده کرده است. هدف از انجام این پروژه گسترش مدل دینامیکی سیستم پیل سوختی بر پایه روابط فیزیکی و سپس اعمال سیستم کنترلی چند پارامتری برای مطالعه رفتار و اثرات آنها میباشد.
-2روش تحقیق
در این مقاله چهار پارامتر دبی هیدروژن، رطوبت هیدروژن، دبی هوا و سطح مقطع خروجی کاتد برای رسیدن به بازدهی ماکزیمم بهینه سازی میشوند. تغییر دبی و رطوبت هیدروژن به صورت مستقیم بر روی افت اهمیک پیل سوختی تاثیر میگذارد. برای مطالعه مقدار بهینه دبی و رطوبت هیدروژن از افت اکتیواسیون و افت نفوذ صرفنظر نموده و به مطالعه تاثیرات تغییر دبی و رطوبت هیدروژن، بر روی رطوبت آند و در نتیجه مقدار افت اهمیپرداخته میشود. هر چه مقدار رطوبت هیدروژن ورودی بیشتر باشد، مقدار آب وارد شده توسط هیدروژن به داخل آند افزایش یافته و رطوبت آند افزایش خواهد یافت. بنابراین افت اهمیک کمتر خواهد شد.
پس به ازای یک دبی خاص رطوبت %100 برای هیدروژن، کمترین میزان افت اهمیک را به دنبال خواهد داشت. بنابراین مقدار رطوبت نسبی %100 به عنوان مقدار بهینه برای ماکزیمم کردن بازدهی پیل سوختی برای دبی های مختلف پیل سوختی انتخاب میشود. همچنین بیشترین بازدهی را در صورتی خواهیم داشت که هیدروژن با رطوبت %100 وارد آند شود.[4]هیدروژن فشرده پس از خروج از مخزن وارد شیر تنظیم فشار شده و پس از گرمایش و رطوبت زنی وارد پیل سوختی میشود. همچنین هوای ورودی پس از تراکم در کمپرسور و سپس سرمایش و رطوبت زنی در درجه حرارت و فشار کاری توده پیل سوختی وارد میشود.
در این سیستم میتوان از حرارت ناشی از تراکم هوا در کمپرسور جهت گرمایش هیدروژن استفاده کرد. با تغییر مقدار دبی هیدروژن با توجه به اینکه مقدار هیدروژن مصرفی برای یک جریان خاص ثابت میباشد مقدار رطوبت داخل آند دستخوش تغییر خواهد شد و افت اهمی دچار افزایش و یا کاهش شده و توان تولیدی توسط استک تغیر خواهد کرد. تغییر دبی هوا و سطح مقطع گلوگاه خروجی کاتد عامل تاثیر در کار مصرفی کمپرسور مقدار افت نفوذ و افت اکتیواسیون را در پی خواهد داشت.
در این مقاله مقدار بهینه چهار پارامتر مذکور محاسبه شده و در ادامه برای جلوگیری از تشکیل آب مایع در کاتد، اثر پارامتر های مذکور بررسی می-گردد. تغییر در هر یک از پارامترها فاصله گرفتن از نقطه بهینه را سبب خواهد شد. بنابراین پارامتری برای مقابله با تشکیل آب مایع در کاتد انتخاب خواهد شد که دارای کمترین افت توان نسبت به نقطه بهینه باشد.
-3آماده سازی مدل در محیط شبیه سازی و اعتبار سنجی آن 1-3 تهیه مدل شبیه سازی
در شکل1 سیستم پیل سوختی و ارتباط بین آنها به صورت بلوک دیاگرام نمایش داده شده است.
شکل-1 سیستم پیل سوختی و ارتباط بین آنها[1]
2-3 اعتبار سنجی مدل
پارامترهای استفاده شده در شبیه سازی
برای اعتبار سنجی مدل از مقاله پوکروشپان استفاده گردیده است. معادلات ارائه شده برای افت ولتاژ اکتیواسیون در مقاله مذکور دارای خطا میباشد. نمودارهای ارائه شده بوسیله این معادلات صحیح میباشند، نتیجه میگیریم برای اعتبار سنجی مدل از نتایج ارائه شده توسط پوکروشپان استفاده می نماییم. ورودی مدل مطابق با ورودی مقاله مذکور میباشد. مقایسه نسبت استوکیومتری برای اکسیژن ورودی در شکل2 نمایش داده شده است. بعلت اینکه مدل دینامیکی میباشد اطلاعات دارای نوسان می باشد که اطلاعات رسم شده در شکل2 متوسط گیری شدهاند.
شکل-2نسبت استوکیومتری اکسیژن
با افزایش فشار کاهش افت اکتیواسیون انتظار می رود که افت ولتاژ اکتیواسیون کاهش یابد در حالی که با توجه به روابط موجود، افزایش فشار، افزایش افت اکتیواسیون را بهدنبال خواهد داشت. بنابراین برای مقاله پیش رو با توجه به اطلاعات محدودی که برای استک مورد نظر - ساخت شرکت بالارد - 3 در دسترس بود اقدام به پردازش منحنی نموده و از آن منحنی برای مدلسازی افت اکتیواسیون پیل سوختی استفاده گردیده است. اختلاف در ولتاژ خروجی از مدل در بدترین حالت %2 میباشد. در منحنی توان خروجی از استک نیز این اختلاف وجود خواهد داشت. استراتژی کنترلی با توجه به اینکه مقدار ماکزیمم توان تقریبا در نسبت استوکیومتری برای پیل اتفاق میافتد بدست آمده است. مقدار عددی پارامترهای استفاده شده در مدل در جدول1 موجود می-باشد.[7]
-4کنترل پارامترهای پیل سوختی
در این مقاله ما بر روی سیستم تامین هوا و کنترل این سیستم با هدف تولید بیشترین توان ممکن - افزایش بازدهی - تمرکز کردهایم. برای مطالعه استراتژی مطرح شده توسط پاکروشپان شبیه سازی برای جریانهای 100 تا 310 آمپر به ازای نسبت استوکیومتری-های مختلف برای اکسیژن انجام میشود. شکل3 از شبیه سازی بدست آمده است. عملکرد پیل سوختی با شرایط خشک، طول عمر غشا را کم کرده و چسبندگی غشا ء به الکترود را در پی دارد
