یکپارچه سازی پیل سوختی (مقاله ترجمه شده)

چکیدهپردازنده های سوخت (FPs) با پردازنده سلول های سوختی (FCS) تولید برق در محل یکپارچه شده اند. فن آوری فرآیند که در FP ها به کار گرفته شده است باید به درستی و بر اساس ویژگی های سوخت و تحمل ناخالصی و مشخصات عملیاتی انتخاب شوند. پارامترهای شیمیایی، حرارتی و فرایند مورد نظر برای اطمینان از ادغام FP-FC نیاز به توجه دقیق و به موقع دارند. شیمی و مهندسی واکنش کاتالیستی تولید H2 در FP ها و استفاده از آن در electrocatalysis چالش های عمده ای فراهم می کند. تنظیمات راکتور، میزان کوچک بودن شان و هیدرودینامیک داخلی آن ها و سایر عوامل طراحی برای یکپارچه سازی مناسب نیاز است که در نظر گرفته شود. این مقاله در حال حاضر دانش مهندسی در یکپارچه سازی FP ها را بیان می کند و همچنین چشم انداز آینده-FC برای دستیابی کارآمد به FP-FC برای استقرار در مقیاس بزرگ را بیان می کند.مقدمهاگرچه منابع سوخت مانند متانول یا گاز طبیعی را می توان به طور مستقیم در سلول های سوختی که در طبیعت قرار دارند مورد استفاده قرار داد، سیستم های اینچنینی دارای اشکالاتی هستند، که می توان به چگالی انرژی کمتر و بهره وری عملیاتی، سینتیک اکسیداسیون آهسته از بسیاری از هیدروکربنی سوخت های کربنی و نیاز به تصفیه گسترده به حذف ناخالصی نامطلوب، اشاره کرد. سلول های سوختی که پردازنده های جدای سوختی (FP) را درگیر میکند موارد اولیه سوختی ممکن کسترده ایی را فراهم می کند که برای تولید هیدروژن با خلوص مناسب برای سلول سوختی به کار می روند. ادغام FC-FP سطح رضابت و مقبولیت زیادیی را به وجود آورده است. همچنین، از موانع موجود در توسعه زیرساخت های گسترده هیدروژن برای FCs ها، منجر به همکاری و یکی شدن اصلاح تسهیلات درفرم FPS شده است. مورد یاد شده شامل تله گوگرد، واحد تغییر آب و گاز سیستم های مناسب پاکسازی CO که برای تولید هیدروژن از منبع هیدروکربن سلول های سوختی با MA (FC) برای تولید در محل می باشد استفاده می شود. بهره وری عملیاتی آنها بستگی به مواد شیمیایی، حرارتی، ملاحضات دینامیک، FP و تنظیمات سیستم FC و سایر ناخالصی ها عوامل مختلف دارد. به طور کلی اجزای FC شامل 33% از فضا و هزینه عملیاتی می شود. سیستم های FC-PC شامل چالشهای صنعتی زیادی می باشند. مقالات چاپ شده در این زمینه برای یک بررسی مناسب اندک و ناکافی می باشد. این مقاله مروری بر وضعیت موجود و کنونی تکنولوژی FP و FC می باشد و همچنین شامل فاکترهای کلی که بر یکپارچه سازی و تکنولوژی های آینده آنها اثر می گذارد میکند وبه دنبال این است که آیا این عوامل آنها را پربازده تر و آسانتر می کند.ویژگی های اساسی سیستم های FP وFCطبقه بندی و مشخصات FCFC در واقع یک دستگاه الکتروشیمیایی می باشد که انرژی سوخت یک هیدروژن شبه سوخت را به طور مستقیم به انرژی اکتریکی تبدیل می کند. تکنولوژی های FC توجه زیادی را در سراسر دنیا به خود جلب کرد که واین توجه به توسعه نیرگاه های جدید، خودرهای پیل سوختی و واحدهای قدرت معطوف می شد. FC ها بر اساس نوع اکترولیت به کار گرفته شده در آنها و همچنین دمای کاری آنها و نوع سوخت و اکسیدی که در آن به کار می رود دسته بندی می شوند. ]2[ موارد مهم شامل AFC، PEFC,PAFC,MCFC و SOFC می باشد. آنها بر اساس کاربردشان و مناطق به کارگیریشان در مراحل مختلف توسعه بازاری می باشند. در این بین AFC ها در معموریت های فضایی به کار بسته شدند و همچنین بسیار گران هستند چرا که آنها به هیدروزن و اکسیژن خالص برای راه اندازی نیاز دارند. PEFC ها و PEMFCها که کوچکترین و سبک ترین طراحی ها محسوب می شوند در سیستم های جایجایی و به طور خاص برای خودروهای التریکی به کار گرفته می شوند. پیشرفت های اخیر در PEMFCهای دما بالا رسیدن به بازده های بالا را امکان پذیر کرده اند و هچنین باعث افزایش استفاده از سوخت شده اند. حد تحمل CO در آنها بین 3000 و 5000ppm با ماندگاری غشایی 20000h می باشد. آنها به محیط مرطوب شده نیاز ندارند و بسیار کمتر از انواع مشابه دما پایین شان هستند. با افزایش انعطاف مصرف سوخت و سطح تحمل ناخالصی بالاتر، MCFC ها و SOFCهایی که در دماهای خیلی گرمتر کار میکنند، از نظر مقدار گرمای تولیدی اضافی بیشتر برای نیروگاها به صرفه تر می باشند. جدول 1 مشخصات FC را معیین می کند که بر اساس دمای کارکرد، بازده انتقال انرژی، بازه کاربرد توان، مناطق کاربرد و تحمل الودگی در هیدروژن مصرفی می باشد. مواد مصرفی آنها نوع کاربرد و تنوع کابردشان را معین می کند. مهندسی واکنش این FC ها به فهم ذات دینامکی غیر خطی آنها و انتقال حرارت وجرم کمک می کند.]5[ حساسیت کاتالیس فلزی استفاده شده در انها و تحمل الودگی آنها اثر عمیقی دارد در حالی که باعث پیشرفت یکپارچه سازی FP-FC می شود. آنها به امکاناتی نظیر مانفولد، مبدل حرارتی، مرطوب کننده ها، چگالنده، شیرها، فبلترها نیاز دارند. هر کدادم از این کاربردها نیاز به سخت افزار مختص خود و همچنین نرم افزار خاص خود می باشد برای اینکه به بهبنه ترین عملکرد برسد. یکپارچه سازی FC-FP مسائل عمدهچالش اصلی در یکپارچه سازی FP-FC طراحی یک FP که گاز هیدروژن را قبل از ورود به FC به خوبی پیش اماده کند. پیچیدگی هایی در این مسیر به وجود می آید که مثلا مواد خام به FPS دچار یک وقفه هستند که با ترکیب فوق العاده متغیر و ترکیبات نامطلوب همراه می باشد. آنها نیاز دارند که شامل یک یکپارچه سازی با FCS شوند. به رغم از اهمیت به ادغام FP-FC، تحقیق بسیار کمی در مورد این موضوع انجام شده است. مسائل عمده تأثیرگذار برادغام FC-FP به شیمی، ترمودینامیک، پیکربندی و کنترل مراحل مربوطه بر میگردد. در یک تحقیق [19] گزارش داده شد که یکپارچه کردن PEM مدل سلول سوختی با بهره گیری از متان به عنوان یک منبع سوخت اشاره شده است. تجزیه و تحلیل کلی انرژی نشان داد که نیاز به متان اضافی برای به دست آوری مواد مورد نیاز از اصلاح گرمای فرایند گرماگیر در FP می باشد. مسائل متعدد دیگری نیز وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. چالش های یک پارچه سازی FP-FC شیمی و مهندسی FPهیدروکربن ها با مشتقات CO میتواند به صورت CnHmOz نمایش داده شوند که برای ارزیابی محصول برای توزیع در فرایند اصلاح به کار بشته می شود. براساس چگالی انرژی خاص و ویژگی های گازی، مایع و سوخت جامد، حجم هیدروژن تولید شده می تواند مورد بررسی قرار گیرد. روغن دیزل دارای بالاترین چگالی انرژی در مقایسه با تمام سوخت های دیگر می باشد. این سوخت مواد غیر فراربیستری نسبت به زغال سنگ در محدوده دمای 160-370 دارا می باشد. همانطور که در بخش 2.3 بحث شد، FP یک سوخت اولیه غنی شده با هیدروژن را به گازهای و آتن زیر با تعدادی از فرآیندهای به حذف ترکیبات نامطلوب برای برنامه های کاربردی می پردازد. الکتروشیمی FC است مستعد ابتلا به مسمومیت با ناخالصی های موجود در هیدروژن گازهای غنی از FP می باشد. جدول 2 شامل برخی از اطلاعات در این باب می باشد. تعدادی از این واکنش ها به صورت گرماکیر ویا گرماده در طبیعت موجود می باشند.عملکرد کلی دمایی سیستم های FP-FC انالیز دماییبهره وری انرژی یک سیستم FP-FC یکپارچه بستگی به فاکتورهایی دارد که هیچ در تنظیمات شخص واحد، ترکیب هیدروژن تغذیه به FC و شرایط عملیاتی دخیل نیست. مدیریت حرارتی توسط فقری و گوا [34] بررسی شده است. تعادل حرارتی از یک سیستم FP-FC بسیار مهم می باشد که برای حصول اطمینان از بازده حرارتی بالا و مواد سریع و پاسخ دینامیکی از سیستم ارزیابی می شود. مکانیزم یاد شده مناسب برای کنترل نرخ می باشد، که از ان جمله اکسیژن و آب می باشند (ب) اطمینان حاصل کردن از عامل بهینه درجه حرارت در کاتالیزور می باشد (ج) حفظ درجه حرارت گازها و سطوح اگزوز خارجی از راکتور در محدوده مجاز. بازده حرارتی از اصلاح کننده های FP در (شکل 5) نشان می دهد که بهره وری حداکثر در تولید هیدروژن (HPE) رخ می دهد در حالی که حداقل اصلاح بخار در کل تحت اکسیداسیون می باشد ورخ می دهد. زمانی که فرایند به اکسیداسیون از بخار اصلاح حرکت می کند ، مقدار مونوکسید کربن افزایش می یابد و محتوای آن به حداکثر می رسد حداقل محلی کربن مونوکسید در شرایط اصلاح بخار رخ می دهد. از نقطه نظر بهره وری انرژی، ماکسیما زمانی رخ می دهد که تحت شرایط حرارتی autothermal سیستم در حال کار کردن باشد. شیوه طراحی و تحلیل سیستم استراتژی طراحیبهره وری و سهولت عملیات یکپارچه سازی سیستم های FP-FC تا حد زیادی به انتخاب تنظیمات راکتور بستگی دارد. این کمک می کند تا واحد FP و FC و میزان یکپارچگی شیمیایی و حرارتی مناسی به دست آورد. چی و همکاران [4] بررسی تنظیمات اصلی راکتور به کار برای FPS را مورد بررسی قرار دادند. کارهای که آنها انجام دادند شامل گلویی، استوانه ای، مونتاژ و پیکره بندی نوع صفحه میکروکانال برای کاربرد در فرایند گفته می باشد. پیکربندی حلقوی نشان داده شده در (شکل 6) شامل ادغام گوگرد، بخار اصلاح، WGS، CPOX و مبادلات حرارتی در یک واحدمی باشد و می تواند بازده بالا یی از واکنش را به دست دهد که با استفاده بهینه از جریان فرآیند FPS انجام می شود. راکتور استوانه شعاعی با مناطق واکنش های مختلف در مجاورت یکدیگر در فضا قرار داده شده که این فضا،فضای فرایند واکنش می باشد. مونتاژ ورق بسته بندی شده با پیکربندی مشخص برای مقیاس اسکیل آپ بهینه تر و آسان تر می باشد. واحد اصلاح فرایند و محفظه احتراق را می توان در مجاور اشتراک یک فضای دیوار مشترک اضافه شده تایین کرد. بدین سان با توجه به اصلاح فرایند معمول، مشکلات اسکیل آپ با این پیکربندی مشخص حداقل می شود. ئپیکربندی میکروکانال یک میکرو راکتور را با مبدل حرارتی میکروکانال یک پارچه می کند. انژکتورهای سوخت کارآمد با توانایی خاص به طور کامل مخلوط سوخت مایع با درجه حرارت بالا را انجام می دهد و بخار SE باعث تشکیل کک بر روی کاتالیست می شود. این امر به نوبت خود موجب به حداقل رساندن ذرات / پوشش می شود. اخیرا برخورد مستقیم قطرات برراکتور برای مایع به کار گرفته شد سوخت هیدروکربنی برای کوچک سیستم FP-FC به کار گرفته شده است. مورد یاد شده می تواند به همراه CO / H2 فعال مرکز غشاء و فرآیندهای غشایی پیستون برای کنترل دقیق حجم راکتور به کار گرفته می شود. پیکربندی نوع صفحه شامل یک مونتاژ جریان، آب بندی، الکترولیت و صفحه الکترود می باشد. جریان صفحات برای اتصال دو سلول مجاور و کنترل الگوهای جریان می شود و بدین صورت توزیع مایع / خوراک گازی در سراسر منطقه همراه است. 40 یک گزارشی از یک پارچه سازی NG دادند که بر اساس FP-PEMFC می باشند و این مورد اهمیت طراحی FP را می رساند. استراتژی کنترل برای سیستم های یکپارچه FP-FCکنترل دقیق FP منجر به حداقل رساندن انحراف در غلظت H2 در آند می شود و همچنین باعث یک کاهش شدید درجه حرارت زیاد FC در فرایند گذار در واحدهای فرایندی پایین دست می شود. به عنوان مثال، تنظیم خوب CPOX منجر به تنظیم دقیق درجه حرارت می شود وهمچنین یک اطمینان از غلظت هیدروژن آند مانع از کمبود هیدروژن می شود. استراتژی کنترل یکپارچه برای یک FP-FC در واقع این است که یک فرایند محافظت از FP از آسیب ناشی از H2 در تبدیل FPصورت بگیرد. فرایند یاد شده کاملا پیچیده است الیته از نقطه نظر تعاملات درون سیستمی و برای کنترل سیستم باید از منطق خود سیستم استفاده کرد. گورگان و همکاران [55] کنترل بازخورد تکامل یافته برای CPOX، WGSR و POXو راکتور FP-FC در یک سیستم قدرت ارائه دادند. پاکروشپن و همکاران [45] مطالعاتی در زمینه گاز طبیعی اکسیداسیون جزئی سیستم FP-FC بر اساس تنظیم هم حرارت و هم آند CPOX در یک غلظت هیدروژن معین انجام دادند. چن و همکاران [56] استراتژی برای راه اندازی FP متشکل از یک تکامل فرایند اصلاح یافته ، WGSR و POX و راکتور مرتبط باPEMFC ارائه دادند. این فرایند فرموله شده و به عنوان یک بهینه سازی محدود متمایل به حل عددی MAمعرفی شده است. در یک تحقیقی که اخیرا، Basuldo و همکاران [57] انجام داده اند طراحی و توسعه و مدل سازی، شبیه سازی، تشخیص عیب و کنترل های پیشرفته برای FP-PEMFC با اتانول زیستی به عنوان خوراک انجام گرفته است. خلاصهیکپارچه سازی سیستم های FP-FC چالش هایی را به همراه دارد که نشئت گرفته از فاکتورهای تکنیکی که شامل ناخالصی نامطلوب و مشکلات مربوط به پردازش شیمی و حرارتی، پیکربندی و پیچیدگی روند می باشد. این مقاله مسائل مهم در ادغام سازی را برجسته کرده است که به کمک گزارش از مطالعات موردی انجام گرفته است. نشان داده شده است که برای ادغام به طور موثر انواع FP و FCو واحدهای فرایندی برای یک کاربرد خاص و متحرک ، تلاشهای منظمی نیاز است که صورت پذیرد. یک رویکرد چند رشته با استفاده از دانش پیشرفته بر پایه شیمی آلی و الکتروشیمی و همچنین تجزیه کاربردی ، ترمودینامیک، طراحی راکتور مهندسی شیمی، مدل سازی و شبیه سازی، کنترل فرآیند برای پیش برد این تکنولوژی لازم است که به جنبه های مهم ادغام FP-FC به طور موثرپرداخته شود و از همه جوانب مورد برسی دقیق قرار گیرد.این مقاله ISI در سال 2022 در نشریه الزویر و در مجله بررسی انرژی های تجدیدپذیر و پایدار، توسط دانشگاه هند منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله یکپارچه سازی پیل سوختی در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.