بهینه‌سازی شرایط عملیاتی پیل سوختی PEM کامیون‌های سنگین برای افزایش عملکرد و دوام

از آنجایی که صنایع کامیون‌سازی از سیستم هیبریدی پیل سوختی برای مقابله با تنظیم گازهای گلخانه‌ای استفاده می‌کنند، دوام طولانی‌مدت سیستم پیل سوختی هیدروژنی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. برخلاف خودروهای سواری، عملکرد کامیون‌های سنگین برای شرایط رانندگی عمومی به بار متوسط تا سنگین نیاز دارد. این مطالعه از روش سطح پاسخ (RSM) برای تعیین شرایط عملیاتی بهینه برای دوام طولانی‌مدت استفاده می‌کند. ابتدا، مدل شبیه‌سازی پشته با قابلیت تخریب توسعه داده شده است که از RSM برای بهینه‌سازی پشتیبانی می‌کند. متغیرها شامل دمای عملیاتی پیل سوختی (T)، استوکیومتری آند (Sa)، استوکیومتری کاتد (Sc)، رطوبت نسبی آند (RHa) و رطوبت نسبی کاتد (RHc) هستند. توان خروجی و نرخ تخریب به عنوان توابع هدف شناسایی شدند. تجزیه و تحلیل سطح پاسخ، تعامل بین پارامترهای طراحی و توان خروجی و نرخ تخریب پشته PEMFC را نشان داد. این تجزیه و تحلیل نشان می‌دهد که عملکرد و دوام PEMFCها به شدت تحت تأثیر متقابل پارامترهای کلیدی عملیاتی، از جمله دما، استوکیومتری و رطوبت نسبی قرار دارد. عملکرد بهینه با حفظ تعادل دمای متوسط (65-70 درجه سانتیگراد)، نسبت‌های استوکیومتری متوسط و سطح رطوبت نسبی (50-60٪) حاصل می‌شود. برای به حداقل رساندن تخریب، عملکرد در دماهای متوسط، استوکیومتری متعادل و سطح رطوبت بالا بسیار مهم است که به کاهش تنش حرارتی، کم آبی و آسیب اکسیداتیو کمک می‌کند. شرایط بهینه شناسایی شده برای به حداکثر رساندن توان خروجی و در عین حال به حداقل رساندن نرخ تخریب عبارتند از: T = 71.5 درجه سانتیگراد، Sa = 1.2، Sc = 3.0، RHa = 100٪ و RHc = 72.7٪ که منجر به طول عمر تخمینی 10328 ساعت می‌شود.

مقدمه

پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) به دلیل راندمان بالا، راه‌اندازی سریع، قابلیت استارت سرد و برد رانندگی قابل مقایسه در هر بار شارژ، در کامیون‌های سنگین استفاده می‌شوند، در حالی که انتشار گازهای گلخانه‌ای آنها صفر است [[1]، [2]، [3]، [4]]. سازگاری PEMFCها تبدیل انرژی کارآمد را امکان‌پذیر می‌کند و آنها را برای کامیون‌های سنگین مسافت طولانی که نیاز به بردهای طولانی و قابلیت سوخت‌گیری سریع دارند، مفید می‌سازد. علاوه بر این، طراحی سبک و جمع و جور سیستم‌های PEMFC به طور یکپارچه با محدودیت‌های وزنی وسایل نقلیه سنگین همسو می‌شود و ظرفیت بار بهینه را تضمین می‌کند. ویژگی‌های ذاتی راندمان بالا و انتشار گازهای گلخانه‌ای کم، PEMFCها را به فناوری‌های محوری در تقویت راه‌حل‌های حمل و نقل پاک‌تر و پایدارتر تبدیل می‌کند و به طور قابل توجهی در تبدیل صنعت حمل و نقل سنگین به سمت سازگاری با محیط زیست نقش دارد [[5]، [6]، [7]].

برخلاف خودروهای سواری سبک، PEMFCها در خودروهای سنگین (HDVها) اخیراً توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. PEMFCها هنگام استفاده در HDVها باید شرایط عملیاتی سختی از جمله عوامل محیطی، الزامات مدیریت حرارتی و پروفایل‌های بار متمایز را تحمل کنند [8]. HDVها، مانند کامیون‌ها، تحت چرخه‌های رانندگی طولانی‌تر و دشوارتر با تغییرات مکرر بار و زمان‌های کارکرد طولانی‌تر کار می‌کنند، در حالی که خودروهای سواری سبک معمولاً از الگوهای رانندگی شهری و بزرگراهی با توقف‌های مکرر و تقاضای برق کمتر پیروی می‌کنند. علاوه بر این، طول عمر طولانی‌تر مورد نیاز برای HDVها، پیشرفت‌های قابل توجهی را در دوام و راندمان سوخت در مقایسه با خودروهای سبک ایجاب می‌کند [9]. PEMFC های سنگین به طول عمر بسیار طولانی‌تری نیاز دارند، مثلاً 25000 تا 30000 ساعت (معادل 1000000 تا 1200000 مایل)، در حالی که PEMFC های سبک معمولاً هدف دوام 8000 ساعت (معادل 150000 مایل) را دارند [8،[10]،[11]،[12]]. به طور خاص، کامیون‌های سنگین که در مناطق با بار متوسط تا زیاد کار می‌کنند، با تخریب تشدید شده‌ای مواجه هستند که مستلزم استراتژی‌های عملیاتی متمرکز بر جلوگیری از تخریب و به حداکثر رساندن طول عمر پشته PEMFC است. علاوه بر این، وسایل نقلیه سنگین برای حفظ عملکرد در مسافت‌های طولانی، راندمان انرژی بالاتر به ازای هر کیلوگرم هیدروژن را در اولویت قرار می‌دهند، در حالی که وسایل نقلیه سبک بر بهینه‌سازی راندمان برای سفرهای کوتاه‌تر و تقاضاهای مکرر برق گذرا تمرکز دارند.

تخریب PEMFC به عوامل مختلفی مانند خواص مواد، ملاحظات تولید و شرایط عملیاتی بستگی دارد. فراتر از مسائل مربوط به تولید و مواد، PEMFCها در طول عملیات به مرور زمان تخریب می‌شوند. پاسخ ولتاژ، که مستقیماً با تخریب PEMFC مطابقت دارد، اغلب برای ارزیابی تخریب PEMFC استفاده می‌شود [13،14]. با توجه به اینکه ویژگی‌های عملیاتی بر شتاب تخریب تأثیر می‌گذارند، تجزیه و تحلیل ویژگی‌های تخریب در شرایط مختلف بسیار مهم است. هنگامی که جریان از PEMFC در طول زمان استخراج می‌شود، پروفیل پتانسیل الکتریکی به مکانیسم تخریب پاسخ می‌دهد که برای تجزیه و تحلیل الگوهای تخریب در شرایط اضافه بار استفاده می‌شود. این الگوها را می‌توان با استفاده از رویکردهای مبتنی بر مدل یا داده محور تجزیه و تحلیل کرد. اگرچه روش‌های مبتنی بر داده قابل اعتماد هستند، اما به داده‌های گسترده‌ای نیاز دارند که به دست آوردن آنها برای عملیات طولانی مدت شامل پارامترهای مختلف چالش برانگیز است. رویکردهای مبتنی بر مدل، که از نظر دقت اعتبارسنجی شده‌اند، پیش‌بینی‌های ارزشمندی از پارامترهای مختلف را بر اساس مدل‌های فیزیکی یا نیمه تجربی ارائه می‌دهند [15].

مدل‌سازی تخریب PEMFCها به طور گسترده برای افزایش قابلیت اطمینان و طول عمر آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. یانکه و همکارانش [16] یک مدل دوبعدی ایجاد کردند که تخریب پلاتین (Pt) را در لایه کاتالیزور کاتد، از جمله پدیده‌هایی مانند اکسیداسیون، انحلال و رسیدن به اوستوالد، بررسی می‌کرد و بینش‌هایی در مورد شرایط حالت پایدار و چرخه بار ارائه می‌داد. معین جهرمی و کرمانی [17] از یک شبیه‌سازی سه‌بعدی برای تجزیه و تحلیل تخریب PEMFC تحت بارهای چرخه‌ای خودرو استفاده کردند و بر رشد ذرات Pt و تخریب سطح الکتروشیمیایی تمرکز داشتند. ژنگ و همکارانش [18] این مدل را با توسعه یک مدل پویا برای شبیه‌سازی تخریب Pt گسترش دادند و استراتژی‌های کاهش را پیشنهاد کردند. در حالی که این مدل‌ها تخریب ECSA و تخریب ولتاژ را به طور دقیق پیش‌بینی می‌کنند، در نظر گرفتن سایر پارامترهای پیری، مانند تخریب شیمیایی و مکانیکی غشاء، که منجر به کاهش رسانایی پروتون یا تغییرات در اثرات آبگریزی و خواص متخلخل لایه انتشار گاز می‌شود که توزیع گاز واکنش‌دهنده و مدیریت آب را تغییر می‌دهد، برای ثبت کامل پدیده‌های تخریب پشته PEMFC بسیار مهم است. جوین و همکاران [19] یک مدل نیمه‌تجربی پیری برای ارزیابی سلامت و پیش‌بینی‌ها ارائه دادند که از رویکرد فیلتر ذرات (PF) برای پردازش نویز داده‌های تجربی و گنجاندن عبارات وابسته به زمان در معادله منحنی قطبش استفاده می‌کرد. ژو و همکاران [20] مدل مشابهی را بر اساس چارچوب PF پیشنهاد کردند که پیش‌بینی‌های تخریب مؤثر را نشان می‌داد، اگرچه دقت آنها از نظر عملیاتی وابسته بود. برسل و همکاران [21] یک مدل تخریب پویا را با استفاده از یک فیلتر کالمن توسعه‌یافته (EKF) برای توصیف پیری در مقاومت اهمی و جریان محدودکننده معرفی کردند و یک جایگزین کمتر پیچیده ارائه دادند. لیو و همکاران [22] و ژانگ و همکاران [23] این مدل‌ها را برای پیش‌بینی عمر مفید باقیمانده PEMFCها به کار بردند و محدودیت‌های استفاده از یک ضریب تخریب واحد را برجسته کردند. نگوین و همکاران [24] با توسعه مدلی که مکانیسم‌های تخریب چندگانه، از جمله تلفات فعال‌سازی آند و کاتد، تلفات اهمی و تلفات غلظت را با استفاده از تکنیک‌های برازش منحنی در نظر می‌گیرد، این زمینه را پیش بردند. وانگ و همکاران [25] یک مدل تخریب نیمه تجربی را با داده‌های تجربی اعتبارسنجی کرد.

از سوی دیگر، استراتژی کاهش تخریب PEMFCها باید همراه با بهینه‌سازی مصرف سوخت که فناوری اصلی خودروهای PEMFC است، توسعه یابد. محققان متعددی از الگوریتم‌های بهینه‌سازی برای تعیین پارامترهای عملیاتی بهینه و اصلاح پارامترهای ساختاری پشته‌های PEMFC برای افزایش طراحی و کارایی سیستم‌های PEMFC استفاده می‌کنند. روش‌شناسی سطح پاسخ (RSM) به ویژه برای تجزیه و تحلیل بهینه‌سازی مناسب است، زیرا روابط بین متغیرهای مستقل متعدد را بررسی می‌کند. مطالعات متعددی اثربخشی RSM و سایر الگوریتم‌های بهینه‌سازی را در بهینه‌سازی عملکرد PEMFC و شرایط عملیاتی نشان داده‌اند. سیلوا و همکاران [26] از روش‌شناسی سطح پاسخ (RSM) با انتشار خطا برای شناسایی شرایط کاری بهینه که چگالی توان را به حداکثر و تغییرپذیری عملیاتی عادی را در PEMFC به حداقل می‌رساند، استفاده کردند. کنعانی و همکاران [27] از RSM برای پیش‌بینی تأثیر عوامل مختلف بر توان استفاده کردند و دریافتند که بهترین عملکرد با مقادیر خاص کاتد، آند و رطوبت نسبی حاصل می‌شود. قصابحی و همکاران [28] شرایط عملیاتی را با ترکیب RSM و الگوریتم ژنتیک مرتب‌سازی غیر غالب (NSGA-II) برای دستیابی به چگالی توان بهینه در ولتاژهای عملیاتی بهینه کردند. چن و همکارانش [29] از الگوریتم‌های مشابهی برای بهینه‌سازی چگالی توان PEMFC، راندمان سیستم و راندمان اگزرژی استفاده کردند و پارامترهای عملیاتی مانند فشار، دمای عملیاتی، استوکیومتری آند، ضخامت غشاء و تخلخل لایه انتشار گاز (GDL) را بررسی کردند. علاوه بر این، چن و همکارانش [30] از RSM و NSGA-III برای جستجوی طرح‌های بهینه پارامترهای GDL استفاده کردند. لی و همکارانش [31] یک رویکرد بهینه‌سازی سریع و سیستماتیک برای PEMFC با استفاده از آنالیز واریانس، مدل‌های جایگزین و NSGA-II ارائه دادند. در این تحقیق، NSGA-II برای بهینه‌سازی همزمان چگالی توان، راندمان سیستم و یکنواختی توزیع اکسیژن روی لایه کاتالیزور کاتد استفاده شد. لیو و همکارانش [32] از الگوریتم NSGA-II برای بررسی مقادیر بهینه پارامترهای کلیدی مانند فشار عملیاتی، نسبت اکسیژن اضافی (OER)، تخلخل و ضخامت GDL استفاده کردند. مطالعه آنها به طور همزمان سه شاخص را بهینه کرد: یکنواختی جریان واکنش‌دهنده‌ها، شار انتشار و مقاومت اهمی. الگوریتم NSGA-II همچنین توسط سوهانی و همکارانش به کار گرفته شد. [33] برای به دست آوردن بهترین شرایط عملیاتی برای PEMFC با در نظر گرفتن بهینه‌سازی چند هدفه عملکرد، عوامل فنی، اقتصادی، ابعادی و محیطی. Xu و همکاران. [34] با استفاده از الگوریتم NSGA-II، میزان تخریب PEMFC را بهینه کردند و نرخ تخریب و عمر مفید آن را ارزیابی کردند. Feng و همکاران. [35] خروجی چگالی توان PEMFC را بر اساس یک مدل جایگزین مبتنی بر داده بهینه کردند. Yang و همکاران. [36] یک PEMFC مارپیچی با ساختار ژنراتورهای گرداب طولی و ویژگی‌های کاتد با استفاده از RSM طراحی کردند. آنها تأثیرات پارامترهای عملیاتی کاتد مانند دما، فشار، رطوبت و استوکیومتری را بر راندمان پیل سوختی و چگالی توان بهینه کردند. Tan و همکاران. [37] الگوریتم PSO را برای بررسی تنظیمات بهینه برای عملکرد PEMFC ارائه دادند. Ge و همکاران. [38] رابطه‌ای بین توان خروجی خالص PEMFC و شرایط عملیاتی آن، به ویژه OER و فشار کاتد، ایجاد کردند تا شرایطی را که به حداکثر نقطه راندمان منجر می‌شود، تعیین کنند. Refaat و همکاران. [39] الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات خودتنظیم (ST-PSO) را برای ردیابی دقیق نقطه حداکثر توان PEMFCها معرفی کرد. وانگ و همکارانش [40] از یک الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات چند هدفه تطبیقی (AMPSO) برای بهینه‌سازی چند هدفه توان PEMFC و راندمان سیستم استفاده کردند.

علیرغم مطالعات متعدد در زمینه تدوین مدل‌های تخریب، پیش‌بینی طول عمر و تکنیک‌های بهینه‌سازی عملیاتی برای PEMFCها، محدودیت‌های متعددی همچنان پابرجاست. اکثر تحقیقات بر ارزیابی تخریب و پیش‌بینی طول عمر در طول عملیات ثابت تمرکز دارند و بینش محدودی در مورد رفتارهای پویا ارائه می‌دهند. علاوه بر این، اعتبارسنجی تجربی مدل‌های تخریب تحت حالت‌های عملیاتی کامیون کمیاب است. تکنیک‌های بهینه‌سازی عمدتاً بر عملکرد به جای تخریب متمرکز بوده‌اند. علاوه بر این، اگرچه استفاده از RSM برای بهینه‌سازی به طور گسترده در مقالات مستند شده است، اما در این مطالعه به ویژه ارزشمند است زیرا امکان بررسی سیستماتیک روابط بین چندین پارامتر عملیاتی (مانند فشار، دما و رطوبت) و تأثیر آنها بر تخریب و کارایی PEMFC را فراهم می‌کند. استفاده از RSM امکان شناسایی شرایط عملیاتی بهینه را فراهم می‌کند که عملکرد و طول عمر را متعادل می‌کند، که در زمینه کاربردهای وسایل نقلیه سنگین که در آن محیط عملیاتی چالش برانگیز و متنوع است، بسیار مهم است. با استفاده از RSM، این مطالعه قصد دارد بینش‌های عملی را که دستیابی به آنها از طریق روش‌های دیگر دشوار است، استخراج کند و یک رویکرد ساختاریافته برای افزایش عملکرد پیل سوختی در شرایط دنیای واقعی ارائه دهد.

در این مطالعه، یک مدل شبیه‌سازی دینامیکی PEMFC برای شبیه‌سازی عملکرد دینامیکی و تخریب طولانی‌مدت توسعه داده شده است. از RSM برای شناسایی پارامترهای عملیاتی بهینه استفاده خواهد شد. این تجزیه و تحلیل چهار مرحله را دنبال می‌کند: ایجاد و اعتبارسنجی تجربی یک مدل تخریب دقیق برای PEMFC، استفاده از این مدل برای شبیه‌سازی عملکرد سیستم PEMFC در حالت کامیونی در شرایط مختلف، تجزیه و تحلیل تعامل بین این شرایط و عملکرد و دوام پیل سوختی، و تعیین شرایط عملیاتی بهینه با استفاده از RSM.(منبع).