پیل سوختی PEM (PEMFCS) شبیه سازی

پیل سوختی PEM (PEMFCS) شبیه سازی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

مدل دینامیکی و شبیه سازی پیل سوختی  

فصل سوم

مقدمه: نیاز جهت مدل های دینامیکی پیل سوختی

پیل های سوختی  منابع انرژی خوبی هستند تا قدرت مطمئن در حالت دائم تأمین کنند. اما نمی توانند به همان سرعتی که مطلوب است به بارهای الکتریکی گذرا (ناپایدار) واکنش نشان دهند. این معمولاً به خاطر پاسخ های ترومودینامیکی و الکتروشیمیایی آرام درونی شان وپاسخ های آرام سیستم مکانیکی فرعی آن ها می باشد. مدل های فیزیکی دقیق پیل سوختی نیازمند پیش بینی و ارزیابی پاسخ های دینامیکی و حالت ماندگار آن ها در کاربردهای مختلف نظیر وسایل نقلیه پیل سوختی، سیستم های پیل سوختی تولید توان متصل به شبکه و مستقل می باشد. مدل های دینامیکی  هم چنین برای پیش بینی و ارزیابی کارایی  تحت شرایط گذرا (ناپایدار) مختلف نظیر خطاهای الکتریکی در ترمینال های  و راه اندازی وسایل نقلیه  ، شتاب دادن و ترمز کردن مورد نیاز هستند. تحت شرایط فوق، توان ولتاژ خروجی  توسط خواص فیزیکی و الکتروشیمیایی پیل سوختی مانند ظرفیت خازنی اثر بار دو لایه، نفوذ توده، حفاظت مواد، مشخصات ترمودینامیکی و افت ولتاژ درونی پیل های سوختی بهبود بخشیده شد. این مشخصه‌ها در فصل جاری مورد بررسی قرار گرفته و دو نوع پیل سوختی که دارای پتانسیل کاربردهای تولید توان  یا قدرت توزیعی  می‌باشند ، یعنی PEMFC و SOFC، ارزیابی خواهند شد.

در این فصل، یک مدل دینامیکی برای  براساس اصول فیزیکی ایجاد شده است. ابتدا بیان تحلیلی برای منبع ولتاژ داخلی معادل ، افت ولتاژهای فعال سازی، اهمی و اشباع و مقاومت معادل آن ها به دست آمده است. سپس قابلیت ذخیره سازی بار الکتریکی  توسط ظرفیت خازنی اثر بار دو لایه مدل شده است در فصل قبل بحث شده. گرمای منتجه از واکنش شمیایی درون  و گرمای مبادله شده بین الکترودها و غشای  نیز روی پاسخ واکنش اثر می گذارد. این اثرات در ایجاد مدل دینامیکی با استفاده از روش تعادل انرژی در نظر گرفته شده است. مدل دینامیکی ایجاد شده برای  برای تحلیل سیستم و طراحی کنترلی از دیدگاه مهندسی برق و در طراحی چند منبع انرژی جایگزین سیستم تولید توان. مناسب است.

ایجاد مدل دینامیکی   

همان طور پیشتر بحث شد، ولتاژ خروجی پیل سوختی از مقدار ولتاژ ایجاد شده درون پیل سوختی به خاطر چندین افت ولتاژ کمتر است. شکل  یک طرح کلی پیل سوختی  و افت ولتاژها سرتاسر آن از کانال جریان گاز سمت آند تا سمت کاتد را نشان می دهد. افت ولتاژ اهمی به آند، کاتد و غشا در یک نقطه کار مطمئن وابسته است که می تواند بعنوان تابع خطی از ضخامت آن بخش ها در نظر گرفته بشود در شکل  نشان داده شده است. افت ولتاژ فعال سازی به خاطر سد انرژی است که باید بر انواع واکنش های شیمیایی درون  غلبه کرد، که به عنوان یک ولتاژ اضافی ضروری در نظر گرفته شده است تا واکنش شیمیایی را قادر سازد تا در یک حد مطلوب پیشرفت کند. افت ولتاژ غلظت به دلیل فرایندهای انتقال جرم از کانال های حجم به مکان های واکنش در الکترودهای متخلخل است. در چگالی جریان های بالا، افت ولتاژ غلظت مهم خواهد بود زیرا غلظت واکنش دهنده ها مقداری کمتر از حجم جریان گاز می تواند باشد، برای چگالی جریان های کم، افت ولتاژ غلظت ممکن است نادیده گرفته شود.

افت ولتاژهای  

افت ولتاژ های نشان داده شده در  به صورت زیر محاسبه شده است:

افت ولتاژ فعال سازی: افت ولتاژ فعال سازی تابعی جریان و دمای  است. به عنوان تجربی معادله تافل به صورت زیر در نظر گرفته شد:

اثر بار دو لایه: در  ، الکترودها توسط یک غشا جامد جدا شده اند. (شکل ) که تنها پروتون های هیدروژن همیشه اجازه عبور از طریق آن را دارا می باشند، اما از شارش الکترون ها جلوگیری می کند. الکترون ها از آند از طریق بار خارجی شارش پیدا کرده و در صفحه کاتد جمع می شوند که پروتون های هیدروژن نیز جذب آن شده اند. بنابراین، دو لایه بار با پالاریته مخالف بین کاتد متخلخل و غشا در سرتاسر مرز تشکیل شده است. لایه ها به عنوان دو لایه الکتروشیمیایی شناخته می شوند، می توانند انرژی الکتریکی ذخیره کنند و مانند یک خازن بسیار خوب (بزرگ) رفتار کنند.  

تراز انرژی ترمودینامیکی برای   PEMFC

میزان تولید حرارت خالص به واسطه واکنش شیمیایی در داخل سلول سوختی، که سبب افزایش کاهش دما می‌شود را می‌توان به شرح ذیل نوشت:

ساختار مدل

مدل کامپیوتری برای  براساس مشخصات شیمیایی و ترمودینامیکی ایجاد شده است. ولتاژ خروجی پیل سوختی تابعی از دما و جریان بار است، به دلیل این که دمای پیل سوختی و ولتاژ دو سر خازن معادل اثر بار دو لایه تابعی از زمان در حالت گذرا هستند، ولتاژ خروجی پیل سوختی منتجه یک مقدار دینامیکی است.

مدل مدارهای الکتریکی   

در کل، پیل های سوختی به طور عادی با یکدیگر با بقیه تجهیزات الکترونیکی نظیر مدارهای واسط الکترونیک قدرت (مبدل ها) که ولتاژ خروجی متغیر پیل سوختی به یک ولتاژ  قابل کنترل تبدیل می کند. از این رو، مدل مدار معادل الکتریکی یک پیل سوختی می تواند ابزار ارزشمندی باشد، که با مدل های مداری اجرا واسط (میانجی) به کار برده شده است، تا کارایی واحد تولید توان پیل سوختی را مطالعه کنیم. بلوک دیاگرام برای ساخت چنین مدلی که براساس مشخصات فیزیکی  در شکل  داده شده است.

مدل مدار برای بلوک ترمودینامیکی

مقایسه بین مقادیر ترمودینامیکی و مقادیر الکتریکی استفاده شده ای جدول  داده شده است. این مقایسه ها می توانند جهت ایجاد مدل مدار الکتریکی برای بلوک ترمودینامیکی نشان داده شده در شکل  استفاده شوند. خاصیت ترمودینامیکی درون پیل سوختی به وسیله  تا  بیان شده است.

تایید مدل  

مدل گزارش شده در این بخش از یک توده  توسط آزمایشگاه  (اکنون )  به دست آمده است. شکل  یک عکس از چنین توده ای که در کار آزمایشگاهی به کار برده شد را نشان می دهد. این ابعاد و دیگر مشخصات این توده پیل سوختی در جدول  آورده شده است . هوای محیطی توسط فن های داخلی  جهت گذار از  کاتد، دمیده شده اند تا فشار حرکت چند برابری تا حدود ۷ برابر نسبت به آند اکسیژن و هیدروژن خالص(  خالص) را تأمین کند.