سلول های سوختی 2

مقدمه

اگر مطالب آموزشی ما را دنبال کرده باشید، در پست قبلی (سلول های سوختی: معرفی، نحوه عملکرد و انواع) به معرفی سلول های سوختی پرداختیم و ضمن بیان ساز و کار عملکردی، انواع ساختارهای آنرا  مورد بررسی قرار دادیم. در ادامه پست قبلی می خواهیم در اینجا وارد جزئیات بیشتر شده و قسمتهای مختلف یک سیستم سلول سوختی را معرفی کرده و نحوه عملکرد هر یک را توضیح دهیم.

اجزای اصلی یک سیستم سلول سوختی

ویژگی­های اساسی یک سیستم سلول سوختی در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که این شکل نشان می ­دهد، یک سیستم سلول سوختی از شش زیرسیستم اصلی تشکیل شده است:

پشته سلول سوختی، پردازنده سوخت، مدیریت هوا، مدیریت آب، مدیریت گرمایی و تهویه هوا.

طراحی هر زیر سیستم باید با مشخصه­ های پشته سلول جهت تأمین یک سیستم کامل یکپارچه شود. ادغام بهینه این زیر سیستم ها، کلیدی برای توسعه سیستم های سلول سوختی مقرون به صرفه است. در ادامه در مورد هر یک اجزا توضیحاتی ارائه می شود.

شکل 1) شماتیک سیستم سلول سوختی

پشته سلول سوختی

پشته، قسمت مرکزی و اصلی سیستم سلول سوختی می باشد که از سلولهای مجزا تشکیل شده که به صورت تکراری کنار هم مونتاژ شده­ اند. بنابراین پشته سلول سوختی مدولار است و می ­تواند در اندازه­ های مختلف از رنج چند وات تا چند مگاوات یا بیشتر ساخته شود. علت استفاده از سلول های مجزا این است که چون تحت عملکرد نرمال یک سلول ساده به طور معمول ولتاژ 0.5 تا 0.9 ولت تولید می کند، بنابراین برای استفاده در سیستم ­های تولید انرژی که یک توان نسبتاً زیاد لازم است، چندین سلول باید به طور سری بهم متصل  ­شوند و یک پشته را آرایش ­دهند. از طرفی هر سلول نیز شامل دو الکترود و یک الکترولیت است (به پست سلول های سوختی: معرفی، نحوه عملکرد و انواع مراجعه شود) که واکنش الکتروشیمیایی در داخل آن برای تولید برق انجام می شود.

پردازنده سوخت

چونکه بیشتر سلول­های سوختی از هیدروژن به عنوان یک سوخت استفاده کرده و بیشتر منابع انرژی اولیه هیدروکربن هستند، یک پردازنده سوخت برای تبدیل سوخت منبع به بخار سوخت هیدروژن قوی موردنیاز است. پیچیدگی پردازنده سوخت بستگی به نوع سیستم سلول و ترکیب سوخت منبع دارد. برای سلولهای سوختی دما پایین مثل PEMFC و PAFC، پردازنده سوخت نسبتا پیچیده بوده و معمولاً شامل یک خشک کن، یک اصلاح کننده بخار یا راکتور اکسیداسیون جزئی، مبدل­های شیفت و یک سیستم تمیز­کننده گاز برای حذف منوکسیدکربن از بخار گاز آند می ­باشد. توسعه یک اصلاح­ کننده اقتصادی فشرده برای تأمین  سوخت غنی هیدروژن جهت سلول­های سوختی با دمای پایین، یک چالش بزرگ برای کاربردهای ساختمان و کاربردهای خودرویی می­ باشد. در سلولهای با دمای بالاتر مثل MCFC و SOFC، پردازش سوخت برای سوخت­های ساده مثل متان ممکن است به سادگی شامل خشک­ کنندگی و پیش گرم سازی بخار سوخت قبل از واردکردن آن به محفظه اصلاح آند داخلی پشته سلول باشد. بیشتر سلول­های پیچیده ممکن است احتیاج به قدم­های اضافی تسویه و اصلاح داشته باشند، قبل از اینکه آنها بتوانند حتی بوسیله سلولهای دما بالا استفاده شوند. برای همه انواع سوخت­ها، دماهای کاری بالاتر مرتبط با سیستم­های MCFC و SOFC ، یکپارچگی بهتر گرمایی را برای سلول  با پردازنده سوخت فراهم می­ کند.

 مدیریت هوا

بعلاوه سوخت، سلول سوختی احتیاج به اکسیدی مثل هوا دارد. هوا در فشار پایین بوسیله یک دمنده یا در فشار بالا بوسیله یک فشرده ساز هوا برای کاتد سلول فراهم می ­شود. انتخاب استفاده از حالت هوا با فشردگی بالا یا پایین یک موضوع پیچیده است. افزایش فشار هوا جنبش و پویایی واکنشهای الکتروشیمیایی را بهبود بخشیده و منجر به تراکم بیشتر انرژی و راندمان بالاتر پشته می شود. بعلاوه در پشته ­های PEMFC، افزایش فشار هوا، ظرفیت هوا را برای نگه داشتن آب و در نتیجه کاهش نیازهای رطوبتی کم می ­کند. از طرف دیگر، توان موردنیاز برای فشرده­ کردن هوا به یک فشار بالا، توان در دسترس خالص از سیستم سلول سوختی را کاهش می ­دهد. مقداری از این انرژی می ­تواند با بسط خروجی کاتد از طریق یک توربین قبل از خروج آن به اتمسفر بازیابی شود. صرفنظر از آن، فشرده ساز هوا معمولاً توان بیشتر از هر وسیله کمکی دیگر در سیستم مصرف می ­کند. بعلاوه، در حالیکه عملکرد پشته سلول واقعاً در توان پایین بهبود می ­یابد، عملکرد فشرده ساز معمولاً در بارهای بسیار پایین ضعیف است. اخیراً بیشتر طراحی های پشته سلول برای فشارهای کاری در رنج 1 تا 8 اتمسفر انجام می­ شود. برای دستیابی به چگالی­ های توان بالا و بهبود مدیریت آب، بیشتر سیستم­ های سلول سوختی خودرویی بر اساس تکنولوژی PEMFC در فشارهای 2 تا 3 اتمسفر کار می­ کنند.

مدیریت آب

آب برای اهداف متنوعی در سیستم سلول سوختی موردنیاز است. فرآیند بهسازی سوخت، احتیاج به آب برای واکنش با سوخت هیدروکرین در  واکنش بهسازی بخار دارد. در سیستم­های PEMFC گازهای واکنش ­دهنده برای جلوگیری از خشک­ شدن غشای سلول باید مرطوب شوند. آب از واکنش سلول سوختی در دسترس است اما باید از گاز خروجی حذف شود، ذخیره شود و با یک فشار مناسب برای عملیات مختلف پمپ شود. در کاربردهای خودرویی، عملکرد سیستم به صورتی مطلوب است که آب متراکم شده از بخار خروجی برای اصلاح و رطوبت­ پذیری واکنش ­دهنده کافی باشد. در غیر این صورت، وسیله نقلیه باید به طور تناوبی با آب و همچنین سوخت دوباره شارژ شود.

مدیریت گرمایی

یک پشته سلول سوختی انرژی گرمایی را در سرعتی تولید می­ کند که تقریباً برابر با توان الکتریکی ای است که تولید می­ کند. این انرژی گرمایی می تواند برای اهداف مختلفی در سیستم پیل سوختی مورد استفاده قرار گیرد، به خارج منتقل می شود تا نیازهای حرارتی یک کاربرد خاص را برآورده کند یا به محیط اطراف داده شود. سیستم ­های سلول سوختی با دمای پایین یا بوسیله هوا یا بوسیله آب چرخشی خنک­ سازی می ­شوند. در بعضی سیستم ­های دما پایین و توان پایین (زیر 200 وات)، هوای اضافی عبوری در طول کاتد برای انتقال انرژی گرمایی از سلول کافی است.  در سیستم­های دمای پایین بزرگتر، کانال­های شارش اضافی داخل پشته سلول ایجاد شده است و هوا یا مایع خنک­ کننده ( به طور معمول آب دی یونیزه) از طریق کانال­ها برای حذف انرژی گرمایی دور می ­زند. اگر یک مایع خنک­ کننده استفاد شود، پشته باید فشرده ­تر باشد. بعلاوه با یک مایع خنک­ کننده، انتقال انرژی گرمایی برای اهداف دیگر مثل گرمایش فضا یا گرم­ کردن آب در کاربردهای تولید همزمان آسان تر است. در سیستم­ های دما بالا مثل MCFC و SOFC، پشته سلول سوختی در چنان دمایی کار می­ کند که همه انرژی گرمایی از واکنش سلول می ­تواند به گازهای واکنش ­دهنده منتقل شود، بدون اینکه گرم­ کردن خروجی از حد مجاز دمای کاری پشته بالاتر رود. با استفاده از این سیستم­ ها، انرژی گرمایی در یک دمای به اندازه کافی بالا برای هدایت واکنش اصلاح به داخل یا خارج از پشته موجود است. انرژی گرمایی از خروجی پشته می ­تواند همچنین برای پیش گرم ­سازی بخار هوای واردشده استفاده شود. انرژی گرمایی که برای اصلاح یا پیش­ گرم­ سازی هوا موردنیاز نیست می ­تواند برای تهیه بخار یا آب گرم برای تولید همزمان در یک دیگ احیای گرما استفاده شود. یکپارچگی مناسب سیستم سلول سوختی برای اطمینان از انرژی گرمایی در دسترس از پشته، ضروری است که برای مناسب ­ترین کاربرد استفاده شود.

مدیریت توان

جزء نهایی سیستم سلول سوختی، سیستم مدیریت توان است. این سیستم، برق در دسترس از پشته را به یک جریان یا ولتاژ تبدیل می­ کند که برای یک کاربرد خاص مناسب است و توان را برای سیستم ­های کمکی دیگر تأمین می­ کند. پشته­ های سلول سوختی جریان مستقیم را در یک ولتاژ که با بار تغییر می ­کند، تولید می­ کنند. یک مبدل توان کلیدزنی برای تطبیق ولتاژ تولید شده بوسیله سلول سوختی با نیازهای کاربرد و برای حفاظت از سلول در برابر شرایط اضافه جریان یا افت ولتاژ استفاده می ­شود. اگر کاربرد احتیاج به جریان متناوب داشته باشد، برق از یک اینورترعبور می­ کند که شکل ­موج­های تک فاز یا سه فاز را به صورتی که برای کاربرد لازم باشد، ایجاد می­ کند. اگر کاربرد شامل اتصال داخلی با شبکه توان قدرت باشد، سپس سیستم مدیریت توان باید همچنین قادر به همگام ­سازی فرکانس توان سیستم سلول سوختی با توان شبکه باشد و ویژگی­های امنی را در صورت آفلاین بودن شبکه برای جلوگیری سیستم سلول از برگشت توان تغذیه­ کننده به شبکه قدرت فراهم کند.