دانلود رایگان ترجمه مقاله مسائل سیستمی پردازنده های سوخت (ساینس دایرکت – الزویر 2015)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

3. یکپارچه سازی FC-FP
3.1 مسائل عمده
چالش 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.

3.2 اثرات ناخالصی های به وجود آمده در FP بر عملکرد FC
ناخالصی های موجود در سوخت اولیه و / یا تولید شده در طول فرایند اصلاح و دیگر فرآیندها می تواند تاثیر منفی بر عملکرد FC بگذارد. ورودی هوا به FC ممکن است شامل NOx و SO2 باشد، که جدول محدودیت تحمل CO، CO2، H2O، S، NH3 و را فراهم می کند. CO برای سیستم PEFC، PEMFC، PAFC وبه نوعی MCFC غیر قابل قبول است از آن جا که می توانید کاتالیزور پلاتین و نیکل را مسموم کند که با اتصال محکم به آنها از دسترسی از هیدروژن اضافه جلوگیری می کند. کمتر از 10 پی پی ام از CO در reformate FP ممکن است که کاتالیزور پلاتین را مسموم کند و سلول سوختی را از کار بیندازد. تلاش هایی گزارش شده است DJA BAO [2] به بهبود محدودیت تحمل اکسید کربن از PEMFCs به حدود ppm500. اقدام به عمل کرده اند. آنها چیزی در حدود 0.05 % به آند اضافه کردند که با مونتاژ غشاء الکترود بهینه شده است. تلاش هایی نیز در این زمینه انجام گرفته است که الف) موانعی برای توسعه یک کاتالیزور پلاتین-RU می CO جذب CO را جلوگیری کند (ب) به کارگیری تنگستن غنی کاتالیزور با نانوذرات دی اکسید تیتانیوم [22]. لی [23] CO مدل مسمومیت O2 در یک PEMFC. را مدل کرده بودند. مدل مورد نظر دفع ، جذب H2 ، CO و O2 ، سینتیک اکسیداسیون الکترو و اکسیداسیون ناهمگن را دنظر گرفته بود. اثر O2 و پاشش هوا در مسمومیت CO با اعتبار سنجی تجربی مناسب شبیه سازی شد. CO2 به عنوان یک dilutent تقریبا در تمام FCSدر نظر گرفته می شود و از طرف دیگر آن را به عنوان سم در PEFC و PEMFC نظر گرفته می شود. مورد یاد شده دستخوش واکنش گاز آب معکوس با هیدروژن جذب شده بر روی کاتالیست می باشد. این باعث می شود که بخش بزرگی از سطح پوشش کاتالیزور برای تفکیک H2 غیر فعال. شود. یانسن و دیگران مطالعاتی در حوزه[24] به کارگیری روش های مطالعاتی ولتامتری چرخه ای و chromocoulometry در مسمومیت CO2 در PEMFC انجام دادند.
ناخالصی حاوی گوگرد می توانید شدت عملکرد تمام FCS. را دچار تنزل شدید کند. گارزون و همکاران [25،26] به ارزیابی H2S و اثرات SO2 درPEMFCs. پرداختند و دریافتند که اثرات کاهش بسیار شدید هستند و همچنین این عوامل غیر قابل برگشت هستند که با توجه به مسمومیت کاتالیست در نظر گرفته می شوند. سولفور سوخت یک پیش نیاز برای غلبه بر اثرات مسمومیت گوگرد است. ناخالصی های دیگر هالوژنها، NH3 هستند و NOx. هستند. حضور نمک طعام متاسفانه یکی از منابع آلوده کننده کاتد هوا میباشد که در کاربرد دارد FCS و برای تامین هدایت پروتونی خود را به کمک یک جابجایی الکترونی هیدروژن و سدیم انجام می پذیرد. آمونیاک هر دوی موارد شروع پتانسیل و کاهش واکنش کاهش اکسیژن در را کاهش می دهد . تصفیه آب مکانیسم حذف غالب برای مسمومیت آمونیاک است. NOx های منفی مقاومت غشا در PEMFC را تحت تاثیر قرار میدهد و احتمالا با توجه به تشکیل یون آمونیوم به دلیل عدم کاهش توسط هیدروژن می باشد.

4. چالش های یک پارچه سازی FP-FC
4.1. شیمی و مهندسی FP
هیدروکربن 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.
به تازگی، اشمیت و همکاران [27] یک مروری بر پروسه ای سلول سوختی انجام داده اند. شکل 3 نشان می دهد که سوخت که بیشتر مورد استقبال ثرار می گیرد و برای گزینه های مختلف فرآیند از سلول های سوختی به کار میرود. آنها با در نظر گرفتن اصلاحات خالص سازی برای رعایت مشخصات ورودی FC و واحد منطقی فرآیندها در نظر گرفته می شوند. فن آوری تبدیل به گاز سطوح مختلف از مواد آلی تار را به وجود می آورد. فن آوری اخری منجر به تشکیل کک در کاتالیزور و یا الکترود به FCخود منجر به بی اثر شدنشان م شود. تصفیه گسترده در این مورد نیاز است برای تبدیل مناسب انها برای استفاده در FCها. گوگرد نیاز به گازی شدن یا بخارشدن از سوخت مایع به صورت مستقیم دارد که برای استفاده در حذف سلول های سوختی در دمای بالا SOFC و MCFC به کار گرفته شود. گاز desulphurized / بخار با هوا برای اکسیداسیون جزئی مخلوط می شوند و یا مخلوط می شوند تا فرایند اصلاح بخار صورت گیرد. تغییر آب گاز واکنش می تواند برای حذف بسیاری از هیدروژن غنی مخلوط های گازی به کار گرفته شود که پیش از تغذیه به سلول های سوختی درجه حرارت متوسط مانند AFC، HT-PEMFC PAFC. صورت میپزیرد. فرایند مذکور، می تواند بیشتر خالص سازی شود که با اکسیداسیون ترجیحی انجام می شود که برای حذفCO به کمتر از 10ppm برای استفاده دربه کار گرفته می شود. برای جلوگیری از کمبود H2 سوزاندن کاتالیزوری به کار گرفته می شود که برای تولید انرژی حرارتی اضافی هیدروژن خارج از FCS به کار بسته می شود.
مهندسی واکنش فرایندهای FP برای طراحی راکتور مهم H2 مورد نظر است. رفرمینگ واکنش عمدتا توسط انتقال جرم خارجی کنترل از فله به سطح کاتالیست که مانند انتشار ذره سان در داخل کاتالیزور منافذ ماده مورد نظر می با شد. GHSV بالا در بستر کاتالیست حفظ می شود که برای به حداقل رساندن مقاومت انتقال جرم خارجی مناسب می باشد وبه کارگرفته می شود. کمپ و همکاران [28] سرعت فضای 200.000 ساعت است را گزارش کردندکه برای اصلاح کننده ها مناسب می باشد، 60000 ساعت برای WGSR و 150.000ساعت برای حذف CO توسط اکسیداسیون بود معیین شده است.که در مقابل GHSV از 1000-3000 ساعت میباشد که فرایندهای صنعتی هیدروژن گزارش شده است.
روش معرفی شده واکنش گر در روند FP، برروی انتقال جرم و فرآیندهای جنبشی اثر گزار می باشد [4]. واکنش کاتالیز در واحد FP LE ممکن است خیلی به دور از از یک فرایند بهینه سازی شده باشد که بیشتر از نقطه نظر ملاحظات مهندسی واکنش، می باشد.این مورد یاد شده همراه با فاکتور اثرگزاری کاتالیستی همراه می باشد که کمتر از 0.5 می باشد. مکانیزم هایی که در مورد فرایند مورد نظریاد شد به خوبی درک نمی شود چرا که تکامل این سیکل ها یک استراتژی برای رسیدن به روند بهره وری عالی می باشد. استفاده از کاتالیزورهای مهندسی برای رسیدن به بالاترین چگالی توان و قدرت خاص یکپارچه محدودیت FP-FC می باشد. راکتور Autothermal ترکیبی از اثرات حرارتی CPOX و واکنش SR با تغذیه سوخت را شامل می شود که آب و هوا راکتور با هم حضور دارند. در دو فرایند فعلیت جنبشی رخ می دهد که به طور همزمان در حضور یک کاتالیزور نرخ مورد نیاز خود را احساس کرده و برای رسیدن به تعادل حرارتی فرایند ادامه پیدا می کند. در یک مطالعه جالب آتایانوم و همکاران 31 اثرات تجزیه و تحلیل پردازنده های مختلف در HT و LT سیستم های سوخت-PEMFC با مرجعت غلظت CO و خوراک H2 را تجزیه تحیل کردند و آنها نتیجه گرفتندکه سیستم HT-PEMFC دارای بالاترین بهره وری می باشند واین زمانی ایت که راکتور WGS در مدار FP قرار می گیرد.

4.2 مهندسی و شیمی FC
یک واحد FC متشکل از کاتد مثبت و بار منفی آند می باشد که، یک الکترولیت و یک بار خارجی (شکل 4). را شامل می شود که در شکل 4 نشان داده شده است. رابط آند می تواند سوخت الکترولیت را فراهم کند که در محموع عوامل گفته شده تسریع انتقال هیدروژن و تسهیل مسیر انتقال برای انتقال الکترون ها را فراهم می کند. به طور همزمان کاتد رابطی بین اکسیژن و الکترولیت فراهم می کند ، به دنبال آن واکنش اکسیژن و تسریع فرایند را فراهم می کند که این عوامل راه را برای انتقال الکترون به الکترود اکسیژن از طریق مدار خارجی را فراهم می کند. الکترولیت به عنوان یک جدا کننده H2-O2 عمل می کند و مدار الکتریکی شامل حمل و نقل یون الکترود را کامل می کند. یک سلول سوختی معمولی در شرایط 0.55-0.8 V با حداکثر مقدار نظری 1.48v کار میکند. از آنجا که جریان الکتریکی حاصل ضرب ولتاژ کاری می باشد، مقدار مشخصی از گرما در سلول سوختی تولید می شود. حرارت توسط آب تولید شده در FC حمل مشود که به عنوان بخار آب در نظر گرفته می شود. جدول 2 واکنش های در ارتباط با مکانیزم الکتروشیمیایی چهار نوع مهم از سلول های سوختی و کاتد در آند را مشخص می کند. در اند هیدروزن به گاز الکتروشیمیایی H+ تبدیل می شود و الکترونها در کاتد، اکسیژن به صورت یک فرایند الکتروشیمیایی در گاز ترکیب می شود که حضور یک کاتالیزور با یون هیدروژن و الکترون های آزاد در نهایت باعث ایجاد آب می شود. انرژی واکنش کلی آب سازند برابر است با تفاوت انرژی آزاد گیبس بین محصول و واکنش دهندها می باشد.

تحت شرایط عملیاتی معمولی، آند با بهره گیری از حدود 80٪ سوخت هیدروژن ارائه شده توسط پردازنده را استفاده می کند. به عنوان یک نتیجه، جریان موجود در آند هنوز غنی از هیدروژن می باشد. خروج از آن در سلول های سوختی نه تنها به خطر انداخته بهره وری اگزوز می انجامد بلکه منجر به مشکلات حرارتی و محیط زیست نیز می شود. معرفی یک هیدروژن سوز کاتالیزوری فعال باعث بهبودی این فرایند می شود وباعث تبدیل آن به انرژی حرارتی می شود. فرایند مذکور می تواند برای پیش گرم سوخت وکاهش هوا به FP مورد استفاده قرار گیرد.. Sourapas و همکاران [32] طراحی و توسعه یک مدل پویا از FP-PEMFC را انجام دادند که هدف آنها طراحی یک سیستم کاتالیزوری برای رفع پدیده هیدروژن که در جریان گذرا اتفاق می افتاد. آنها همچنین کاهش جریان بار در آند به طور ناگهانی، را مورد مطالعه دقیق قرار دادند. آب تولید شده در کاتد باید از بخار حذف شده و آب به عنوان دسترسی بهتر به کاتد O2. اضافه شود. در این حالت محصول بدست آمده می تواند با SUA از سطوح رطوبت بهدستآمده گازهای واکنش دهنده مخلوط شود. یک قیاس قابل توجه در تعادل آب وجود داردکه درآن FCS و بالانس انرژی در یک راکتور شیمیایی گرمازا عنوان می شود که توسط مطالعات چیا و همکاران انجام شده است. 33
پدبده یاد شده رخ می دهد و علت آن هم متوجه به حالت های فعال مکانیزم التروشیمیایی فعال، عبور سوخت بیش ازحد، جریان های داخلی و زیان اهمی و غلظت باشد. زمان واکنش کاتد 100 بار کندتر از واکنش در آند است و می تواند چگالی توان از سلول را محدود کند. سوخت عبور بیش از حداز آند به کاتد رخ می دهد که بدون آزاد کردن الکترونها از طریق مدار خارجی به وقوع می پیوندد. عامل گفته شده کاهش بازده سلول است می باشد. تلفات غلظت رخ می دهد که عامل آن با توجه به H2 و O2 می باشد که منجر به کاهش در الکترودها با توجه به ساخت آب در کاتدمی باشد.

5. عملکرد کلی دمایی سیستم های FP-FC
5.1. انالیز دمایی
بهره 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.