ترجمه فارسی عنوان مقاله

عملکرد سیستم‌های پیشرفته پیل‌ سوختی خودرو با محدودیت نپذیرفتن گرما

عنوان انگلیسی

Performance of advanced automotive fuel cell systems with heat rejection constraint

کد مقاله	سال انتشار	تعداد صفحات مقاله انگلیسی
55000	2016	14 صفحه PDF

منبع

Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)

Journal : Journal of Power Sources, Volume 309, 31 March 2016, Pages 178–191

فهرست مطالب ترجمه فارسی

چکیده

کلمات کلیدی

1. مقدمه

2. فعالیت آزمایشگاهی

جدول 1 ماتریس آزمون. شرایط مرجع به صورت اعداد پررنگ تعیین شده‌اند.

3.نظری

جدول 2 پارامترهای جنبشی ORR و HOR

1.3. مدل سلولی

2.3. مدل انتقال گرما

3.3.مدل اضافه ولتاژ انتقال جرم کاتد

4.اعتبارسنجی مدل

5.نتایج و بحث

جدول 3. خلاصه پارامترهای عملکرد مولفه‌های مرجع FCS.

1.5. پژوهش بهینه‌سازی با محدودیت

شکل 2. پژوهش پارامتری برای نمایش اثر دمای عملیاتی پشته بر هزینه‌های سیستم پیل‌ سوختی و مولفه‌های FCS.

جدول 4 پارامترهای همبستگی‌های هزینه.

شکل 3. پژوهش بهینه‌سازی برای تعیین شرایط عملیاتی برای حداقل هزینه سیستم تابع محدودیت ، RH خروجی محدود به 100%.

2.5. بارگذاری بهینه Pt

شکل 4. هزینه سیستم بهینه‌سازی شده و عملکرد تابع محدودیت ، با و بدون محدودیت RH خروجی 100%

3.5. محدودیت

4.5. تغییرپذیری داده‌ها

شکل 5. پژوهشی برای تعیین بارگذاری Pt در کاتالیزور سه‌تایی کاتدی.

شکل 6. تاثیرگذاری بار حرارت پشته بر عملکرد و هزینه سیستم.

جدول 5 خلاصه پژوهش بارگذاری Pt بهینه برای فشار ورودی پشته 2.5 atm.

شکل 7. مقایسه عملکرد و هزینه سیستم برای داده‌های نمایشگر (REP) و بهترینِ گروه (BOC).

5.5. تاثیرگذاری محدودیت

جدول 6. اثر تغییرپذیری در پشتیبانی از داده‌ها بر عملکرد و هزینه پشته

شکل 8. نمودارهای آبشاری با نمایش تغییرها در چگالی توان و هزینه FCS با توجه به تنزل ولتاژ سلول-به-پشته، افزایش دمای ماده خنک‌کننده و تقلیل محدودیت RH خروجی 100%.

6.خلاصه و نتیجه‌گیری

ترجمه کلمات کلیدی

سلول های سوختی الکترولیت پلیمری؛ نرم افزار خودرو؛ رد گرما ؛ تلفات جنبشی و انتقال جرم؛ انتقال جرم در کاتالیزور کاتد؛ سینتیک واکنش کاهش اکسیژن ؛ ثبات و دوام

کلمات کلیدی انگلیسی

Polymer electrolyte fuel cells; Automotive application; Heat rejection; Kinetic and mass transfer losses; Mass transfer in cathode catalysts; Oxygen reduction reaction kinetics; Stability and durability

ترجمه چکیده

اگرچه نگهداری پیل‌های سوخت الکترولیت پلیمر (PEFC) در دمای زیر برای عملکرد بهتر و پایداری بیشتر مطلوب است، برنامه کاربردی خودرو نیازمند پشته‌های PEFC برای فعالیت در دماهای بالا و رفع محدودیت نپذیرفتن گرما است، این مطلب به شرح ذیل بیان می‌شود ، در آن Q بار گرمای پشته برای سیستم PEFC توان خالص است و تفاوت بین دمای ماده خنک‌کننده پشته و دمای محیط است. روشی را برای تعیین شرایط عملیاتی و طراحی بهینه برای پشته خودرو تابع این محدودیت ایجاد کردیم، و آن را همراه اجرایش برای نوین‌ترین پشته با کاتالیزورهای سه‌تایی نوار نازک نانوساختار در مونتاژ‌های الکترود غشایی نشان دادیم. در نمونه تشریحی، دمای ماده خنک‌کننده پشته کمتر از 90 درجه، دمای ورودی پشته کمتر از 2 atm و آمیزه‌شناسی کاتدی کمتر از 2 برای رفع محدودیت به شکلی مقرون به صرفه لازم است. مرجع پشته PEFC با بارگیری در کاتد به چگالی توان در شرایط بهینه برای نپذیرفتن گرما می‌رسد، در مقایسه با در سلول آزمایشگاهی با ولتاژ سلولی مشابه (663 mV) و فشار (2.5 atm) و البته دمای کمتر ، آمیزه‌شناسی کاتدی بیشتر (2) و 100% رطوبت نسبی. © 2016 الزویر بی.وی. تمام حقوق محفوظ است.

ترجمه مقدمه

پایداری و هزینه مانع‌های عمده برای تجاری‌سازی جرم پیل‌های سوخت الکترولیت پلیمر (PEFC) برای حرکت رو به جلوی وسیله نقلیه سبک تلقی شده‌اند [1]. اهداف پایداری فعلی شامل 5000 ساعت رانندگی با کمتر از 10% اتلاف عملکرد است [2]. پیل‌های سوخت عملیاتی خودرو در دماهای کمتر از تاحدی بسیاری از نگرانی‌های پایداری را کاهش می‌دهد. برای مثال، تحت پتانسیل‌های متغیر سریع چرخه‌های وظیفه خودرو، رشد ذرات Pt در لایه کاتالیزور کاتدی، و اتلاف مرتبط مساحت سطح الکتروشیمیایی (ESCA) و فعالیت کاتالیزوری برای واکنش کاهش اکسیژن (ORR) به عنوان مکانیسم‌های تخریب عمده به رسمیت شناخته شده‌اند [3]. رشد ذرات Pt در دمای بالاتر با توجه به ارتقاء محلول‌پذیری Pt در الکترولیت و میزان فزاینده انباشت/آمیختگی ذره Pt سریعتر است [4، 5]. پایداری کاتالیزور زمانی بدتر می‌شود که بارگیری Pt در کاتد به سطوح لازم برای نزدیک شدن به اهداف هزینه‌ای کاهش یابد. مسائل انتقال جرم در چگالی‌های جریان بالا زمانی مطرح می‌شود که بارگیری Pt در لایه‌های کاتالیزوری کاتدی کاهش یابد، و زمانی برجسته‌تر می‌شود که کاتالیزور تجزیه می‌شود و ECSA کاهش می‌یابد [6]. به همین ترتیب، اگرچه پایداری تولید جریان غشاءهای اسید پرفلوروسولفونیک (PFSA) عمدتاً با ثبات شیمیایی و تقویت مکانیکی بهبود یافته باشد، اما ثبات شیمیایی غشاء تحت شرایط خشک و داغ تخریب می‌شود [7]. در نهایت، اتلاف آبگریزی لایه توزیع گاز (GDL) در دماهای بالاتر سریعتر است و انتقال آب می‌تواند تبدیل به مسئله‌ای در مونتاژهای الکترود غشاء تحت تاثیر (MEAها) در چگالی‌های جریان بالا شود [8]. برای رقابت با موتورهای احتراق داخلی بایسته (ICEها)، پیل‌های سوختی باید در طیف وسیعی از دماهای محیط و رطوبت‌های نسبی فعالیت کنند. تیم فنی پیل‌ سوختی شرکت یو.اس. درایو که شامل شرکت‌های خودروسازی است پژوهشی اجرا کرد که وابستگی چگالی توان پشته و نپذیرفتن گرما را در دمای عملیاتی پشته تحلیل کرد. آنها نتیجه‌گیری کردند سیستم پیل سوختی خودرو قابل اتکاء باید توانایی داشته باشد تا گرمای اتلاف پشته (Q) را با توان نامی و دمای محیط نپذیرد [2]. این نیازمندی به صورت محدودیتی بیان شده است که پشته اسمی باید منهای داشته باشد، در آن تفاوت ابتدایی بین دمای خروجی ماده خنک‌کننده پشته و دمای محیط است. همانطور که در این مقاله نشان داده شد، محدودیت به صورت ضمنی الزامی می‌کند پشته PEFC قادر به اجرای دماهای ماده خنک‌کننده بالاتر از 90 درجه سانتیگراد باشد. این محدودیت تقویت شد تا اندازه رادیاتور و مساحت جلو در سیستم‌های پیل‌ سوختی با ابعاد معمول وسیله‌های نقلیه مسافربری با استفاده از ICEها برای رانش رو به جلو حفظ شوند. اندازه رادیاتور و مساحت جلو پارامترهای مهمی هستند که بر بسته‌بندی، هزینه، عملکرد و تقسیم‌پذیری وسیله‌های نقلیه سبک تاثیرگذار هستند. برخی وسائل نقلیه پیل‌ سوختی نسل اول رادیاتورهای خیلی بزرگی داشتند و رادیاتورهای اضافی در چرخ جلو قرار داشتند. متوجه شدیم که در چرخه‌های رانندگی نرمال، تنها برای مدتی محدود پشته برای با نزدیک شدن چالش‌برانگیز خواهد شد. برطبق برخی پژوهش‌ها، پشته‌ها در وسیله نقلیه سبک در معرض دماهای بیش از برای کمتر از از 5000 ساعت چرخه زندگی لازم خواهند بود. محدودیت جایگزین هدف کارآمدی پشته 55% قبلی با توان نامی می‌شود در حالی که از نیاز به تحمیل هدف دیگر برای دمای پشته در توان نامی اجتناب می‌کند. بار گرمایی پشته به صورت ضمنی مربوط به ولتاژ سلول و، از این رو، کارآمدی پشته است. به عنوان مرجع، نوین‌ترین پشته 90-kWe را ملاحظه کنید که در ولتاژ سلولی 0.6 V و برای کارآمدی پشته و فعالیت می‌کند. هدف را می‌توان با کاهش Q، یا افزایش ، یا انجام هردو مرتفع کرد. برای Q کمتر، کارآمدی پشته را می‌توان با اجرای پشته در ولتاژ سلول بالاتر ارتقا داد. در دمای ، ولتاژ لازم سلولی برای مقدار 0.76 V است؛ چگالی توان منتج در این ولتاژ سلولی بالا احتمالاً خیلی کم (پشته گران و حجیم) برای برنامه کاربردی خودرو خواهد بود. برای بیشتر، پشته باید در دمای بالاتر اجرا شود. در 0.6V، دمای عملیاتی لازم برای نیل به هدف دمای است؛ ثبات غشاء، پایداری الکتروکاتالیزور و رطوبت سلولی در این دمای عملیاتی بالا مسئله‌ساز است. گزینه سوم افزایش ولتاژ سلول و دمای عملیاتی است. برای مثال، هدف را می‌توان با افزایش ولتاژ سلول تا 0.663 V و دمای عملیاتی تا به دست آورد. بنابراین، اگرچه مقدار دقیق محدودیت مناسب ممکن است بحث‌برانگیز باشد، محدودیت سنجه‌ای مفید برای ارزیابی مناسب بودن پشته‌های PEFC برای وسیله‌های نقلیه سبک فراهم می‌کند و روشی معقول برای ارزیابی گزینه‌های متفاوت در دسترس برای بهبود ارزش خودروی‌شان ارائه می‌دهد. هدف این پژوهش بررسی تاثیرگذاری محدودیت بر عملکرد و هزینه سیستم‌ها و پشته‌های PEFC خودرو است. این پژوهش از نوین‌ترین الکترودهای کاتالیزوری سه‌تایی نوار نازک نانوساختار (NSTF) برای ایجاد MEAها استفاده می‌کند. در بخش 2 توصیف تجربی عملکرد سلول‌های ساخته شده با استفاده از این MEAها تحت طیف وسیعی از شرایط عملیاتی ارائه می‌شود. در بخش‌های 3 و 4 توسعه مدل سلولی و اعتبارسنجی‌اش با استفاده از داده‌های گردآوری شده در بخش 2 شرح داده می‌شود. در بخش 5، مدل سلولی اعتبارسنجی‌شده در سیستم مرجع PEFC با تمام مولفه‌های مرتبط تعادل-تاسیسات (BOP) استفاده می‌شود تا هزینه و عملکرد سیستم‌های PEFC تابع محدودیت تحلیل شود.

دانلود رایگان 2 صفحه اول مقاله لاتین (PDF)

پیش نمایش مقاله

چکیده انگلیسی

Although maintaining polymer electrolyte fuel cells (PEFC) at temperatures below 80 °C is desirable for extended durability and enhanced performance, the automotive application also requires the PEFC stacks to operate at elevated temperatures and meet the heat rejection constraint, stated as Q/ΔT < 1.45 kW/°C, where Q is the stack heat load for an 80-kWe net power PEFC system and ΔT is the difference between the stack coolant temperature and 40 °C ambient temperature. We have developed a method to determine the optimum design and operating conditions for an automotive stack subject to this Q/ΔT constraint, and illustrate it by applying it to a state-of-the-art stack with nano-structured thin film ternary catalysts in the membrane electrode assemblies. In the illustrative example, stack coolant temperatures >90 °C, stack inlet pressures >2 atm, and cathode stoichiometries <2 are needed to satisfy the Q/ΔT constraint in a cost effective manner. The reference PEFC stack with 0.1 mg/cm2 Pt loading in the cathode achieves 753 mW cm−2 power density at the optimum conditions for heat rejection, compared to 964 mW cm−2 in the laboratory cell at the same cell voltage (663 mV) and pressure (2.5 atm) but lower temperature (85 °C), higher cathode stoichiometry (2), and 100% relative humidity.